Определение зоны взаимодействия карьера с подземными камерами

При комбинированной разработке рудных месторождений, при определенной стадии развития открытых и подземных горных работ взаимное их влияние может привести к неупругому деформированию бортов карьеров или подземных камер, что в целом приводит к потери устойчивости, к аварийным ситуациям и дополнительным непроизводственным расходам. Поэтому задача по установлении основных закономерностей взаимодействия, а также определение устойчивых параметров подработанных бортов карьеров имеет важное значения на стадии проектирования и эксплуатации рудных месторождений.

Прогресс в экспериментальных методах изучения свойств горных пород позволил выявить новые важные особенности деформирования пород за пределом прочности, характеризующиеся разрыхлением и разупрочнением. Тем самым были созданы предпосылки для разработки новых моделей сред [1,2,3].

На рис. 1 представлен комплекс графиков, характеризующих свойства построенных нами моделей упругопластической разрыхляющейся среды и среды с разупрочнением с традиционным условием прочности, обобщенным на область растяжения:

1 - 3 = S; (1)

 = ctg; S = 2*с*ctg (/4 - /2),

где ctg = (1 + sin)/(1 - sin);  - угол внутреннего трения; с – сцепление; S –прочность на одноосное сжатие.

Запредельные диаграммы i - i (рис. 1) моделей аппроксимируются кусочно-линейными функциями. Верхние графики зависимостей отражают изменения сопротивляемости среды по мере деформирования при различных боковых давлениях, нижние – закон пластического течения. При этом для упругопластической среды (штрих пунктирные линии на рис. 1с) условие (1) сохраняется для всего процесса деформирования, а для разупрочняющейся среды сопротивляемость снижается от исходной величины до остаточной по линейному закону (рис. 1а):

S + 3 , если линия (АВН),

1 =

Sост + 3ост, если линия (OMD),

(2)

где Sост, ост – характеристики остаточной прочности.

Пластическое течение характеризуется параметром  = ctg (рис. 1в).

Рис.1. Комплекс графиков характеризующих модели сред

При  = 1 в условиях плоской деформации объем элемента среды в ходе пластического течения будет постоянным, при значении  > 1 течение будет характеризоваться разрыхлением. В частном случае, когда  =  ( = ctg), разработанная модель соответствует ассоциированному закону течения.

В результате проведенных исследований в моделях установлены 5 характерных зон: зона упругости I; зона пластического течения II; зоны одноосного и двухосного разрушения III-V. Причем, для модели разупрочняющейся и разрыхляющейся среды в зоне II на участках снижения прочности происходит разрыхление, а в области остаточной прочности необратимая составляющая изменения объема остается постоянной. В целом значения напряжений в выделенных зонах определяются использованием семейств линеаризованных графиков зависимостей

3 = f (1, 3),

1 = g (1, 3)

(3)

Рассмотрим в условиях плоской деформации на основе разработанной методики серию решений по определению зоны взаимодейстия карьера с подземными камерами. Проанализированы по отдельности различные варианты. Для всех вариантов принята одна и та же расчетная конечно-элементная схема. Общие расчетные параметры таковы : максимальная глубина карьера Н=160 м, угол правого борта 410, левого - 460, ширина камеры - 20м, высота -30 м. Физико-механические свойства принято согласно [4]

Все варианты расчитаны на ЭВМ согласно выбранной расчетной схемы поэтапно с постепенной отработкой камер. Сначала определяются поля напряжений и перемещений для карьера, затем отрабатывается циклично камеры. В каждом цикле ЭВМ выводит в каждой точке массива напряжения, деформации, перемещения и информацию о состоянии элемента.

а) Первоначально задача решается для неподработанного борта карьера. Результаты решения представлены на рис. 2. Анализ расчетных данных показывает, что зона неупругих деформаций наблюдается на подошве откоса в нескольких элементов массива. Направление и величины главных напряжений 1 и 3 можно определить по масштабу векторов. Следует отметить, что вектор главных напряжений вдали от откоса на максимальном расстоянии (ниже подошвы-135м, справа откоса 176 и слева -126) направлено вертикально вверх, потом постепенно выполаживается и вблизи от поверхности откоса становится параллельным к откосу.

Анализ напряженно-деформированного состояния приконтурной зоне позволяет отметить. что глубина Нвл проникновения зоны влияния данного карьера достигает Нвл.п.=0.84 Н- ниже подошвы, Нвл.сп=1.1 Н-справа от откоса Нвлсл.=0.78 Н- слева от откоса. Таким образом величина влияния карьера изменяется в пределах Нвл..=(0.78+1.1) Н.

Рис. 2 Неподработанный карьер

б) После того как определено напряженно-деформированное состояния всего борта карьера отработаем 1- камеру на глубине 205 м от подошвы левого борта. Результаты расчета показаны на рис. 3, при этом как показывают векторы главных напряжений на поверхности камеры они повторяют очертания камеры, а вдали от камеры становятся вертикальными. Сравнение результатов этого варианта с результатами неподработанного карьера дает, что на верхней части камеры главные напряжения 1 и 3 увеличивается соответственно на 3% и 22%. В нижней части камеры наблюдается уменьшение 1 на 5.5 %, а 3 увеличивается на 22%. В правой части камеры 1 увеличивается на 23%,а 3 уменьшается на 54%. Наконец вблизи камеры с слевой стороны значение 1 повышается на 30%, 3 -снижается на 68%. Деформации незначительны. Таким образом, при подработке напряженно-деформированное состояние массива вблизи камеры изменяется в широких пределах. Анализ показывает, что влияние камеры достигает hвл= (0.4+1.4)h м (где h -высота камеры ). При этом в верхней части hвл.в=0.9h, нижней hвл.н=0.8h, с правой стороны - hвл.п=0.4h, с левой - hвл.сл=0.4h.

Рис. 3. Подработанный карьер (1- камера отработана)

в) В этом варианте отработаем камеру 2, оставляя целик шириной 18 м от первой камеры. Результаты расчета приведены на рис. 4. Величины напряжения векторов 1 и 3 можно определить по масштабу. Анализ этого варианта проведем относительно вариантам (а), где имеется одиночная камера. Зона влияния отработанной второй камерой распространяется вглубь массива на величину hвл=(0.4+1.2)h. А именно, с левой и правой стороны камеры hвл.в=0.6h, в верхней части hвл.в=1.2h, в нижней hвл.н=0.4h.

Сравнение результатов расчета по напряжениям показывают, что в правой и левой части камеры напряжение 1 увеличивается на 26%, а 3 – снижается на 24%. В верхней части имеем снижение 1 на 9% ,повышение 3 на 28 %, в нижней снижение 1 на 17% и повышение значений 3 на 16%. Значительные неупругие деформации не наблюдаются. Для определения устойчивости данного целика, используем критерий разработаный в [1]. При этом для нашего случая получим k=2.86, т.е. целик устойчив.

В целом, численный анализ выше изложенных вариантов показывают, что зона влияния карьера и подработанных камер не достигают друг друга, т.е. они не взаимодействуют. Борт карьера и целик находятся в устойчивом состоянии.

Рис. 4. Подработанный карьер (2-камера отработана)

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдылдаев Э.К. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород вблизи выработок. Фрунзе., Илим, 1990. – с. 164
2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987 -с. 221
3. Абдылдаев Э.К., Сандибеков М.Н., Заурбекова Н.Д. Моделирование процесса деформирования откосов. Вестник КазНТУ им. К.Сатбаева №2 (59), 2007.
4. Бызеев В.К. Обоснование параметров подрабатываемых бортов карьеров при комбинированной разработке рудных месторождений. Диссертация на соискания ученой степени кандидата технических наук. Фрунзе,1990,157стр.