автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Методика математического моделирования геомеханических процессов постадийной разработки месторождений с грузонесущей твердеющей закладкой

Р Г Б ОД

- 9 ОПТ 1395

На правах рукописи

КАЗАКОВА Тамара Александровна

МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПО СТАДИЙНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ГРУЗОНЕСУЩЕЙ ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКОЙ

Специальность 05.15.11 - Физические процессы

горного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сашсг- Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

Заслуженный деятель нарт и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР, почегный академик АЕН РФ, доктор технических наук, профессор

Борисов Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты:

Академик АГН, доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Филиппов Анатолий Александрович

Ведущее предприятие: АООТ "Институт Гипрошгксль"

Защита диссертации состоится " О " 01*/?1иО/~>£\ 1995 г. В У Л Ч. 2Л' _мин на заседании диссертационного Совета Д.063.15.01 в Санкт-Петербургском Государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, д.2, в зале заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " '2" Г. 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, член-корр.АЕН РФ , доктор технических наук, профессор

~Я. Богуславский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие горной науки связано с созданием новых систем разработки месторождений полезных ископаемых, отвечающих жестким требованиям как по обеспечению необходимого уровня производственных мощностей предприятий и рациональному использованию природных богатств, так и по охране окружающей среды, безопасности труда. Одной из наиболее перспективных технологий является разработка месторождений с грузонесущей твердеющей закладкой.

На первых этапах внедрения эта технология использовалась лишь при разработке весьма ценных и редких полезных ископаемых, а к настоящему времени, за счет использования более дешевых закладочных материалов и совершенствования технологии закладочных работ, она начала успешно применяться для разработки рядовых руд и каменных углей.

Перспективность технологии с грузонесущей твердеющей закладкой требует разработки новых методических подходов для уточнения напряженно-деформированного состояния технологических элементов системы разработки при выборе рациональных параметров по геомеханическому фактору. Формирование и изменение состояния отрабатываемого участка шахтного поля обусловлено стадийным характером очистных (закладочных) работ, образованием единой пространственно-временной системы порода-закладка с различными деформационными и прочностными свойствами.Технологическая наследственность геомеханического состояния системы, определяемая предысторией накопления деформаций, смещений и

перераспределением напряжений от стадии к стадии является важной особенностью при технологии отработки с твердеющей закладкой.

Применение методик определения напряженно-деформированного состояния, не учитывающих указанных особенностей приводит либо к расчету некоторых технологических параметров с большим коэффициентом запаса, что экономически нецелесообразно, либо к трудно оцениваемому технологическому риску принимаемых решений, что может не обеспечить безопасность горных работ.

Для более экономичного и безопасного ведения очистных и закладочных работ необходима оценка геомеханического состояния на любой промежуточной стадии отработки. Для осуществления стадийного расчета необходимо поставить наследственную, пространственно-временную задачу и решать ее последовательно по стадиям выемки-закладки от начала до окончания работ. Граничные условия для расчета последующей стадии должны соответствовать состоянию участка разномодульного массива, сложившемуся к моменту окончания отработки предыдущей стадии.

Цель исследования состоит в разработке методики математического моделирования геомеханических процессов постадийной разработки месторождений с грузонесущей твердеющай закладкой.

Идея работы. Для систем разработки с грузонесущей твердеющей закладкой напряженно-деформированное состояние массива должно определяться с учетом изменяющейся технологической наследственности, обусловленной стадийностью очистных, особенно закладочных работ.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами комплексных тем N497 и 568 министерства Среднего машиностроения. В них входит НИР ВНИПИ Промтехнодоши по теме 613/1Д "Прогноз геомеханических процессов при интенсивной разработке крутопадающих удароопасных месторождений п/я А-1768 (исходные данные для проектирования), содержащая хоз-/дог. темы СПбГГИ N101/86 и N105/81.

Научные положения, защищаемые автором :

1. Граничные условия для каждой стадии задаются после завершения расчета напряженно-деформированного состояния предыдущей стадии, анализа пространственного положения контура извлекаемого участка и определения величины и направления "дополнительных" напряжении.

2. Математическим аппаратом для исследования стадийных наследственных процессов является разработанный автором модифицированный метод конечных элементов, учитывающий особенности геомеханического состояния путем циклического использования стандартного метода и задания переменных граничных условий на каждой стадии расчета.

3. Для исследования напряженно-дефомированного состояния технологических элементов системы разраоотки с грузонесущей твердеющей закладкой необходимо использовать математическую модель отрабатываемого участка шахтного поля, разработанную на базе модифицированного метода конечных элементов.

4. Проведенные исследования доказали необходимость применения методики как самостоятельного инструмента исследований в научно-исследовательских и проектных работах, дающего уточненные характеристики

напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки. Алгоритм стадийного расчета является основой математического обеспечения геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.

Научная новизна работы :

1. Получены аналитические выражения для описания граничных условий с учетом стадийного характера очистных (закладочных) работ и технологической наследственности геомеханического состояния при отработке месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.

2. Разработан алгоритм постадийного расчета напряженно-деформированного состояния системы вмещающие породы-закладочный массив для математического обеспечения гемеханического мониторинга месторождений, отрабатываемых по данной технологии.

Практическая ценность работы :

1. Использование разработанной методики позволяет проводить многовариантные расчеты и принимать научно обоснованные решения по выбору параметров системы разработки с учетом геомеханического фактора, что улучшает технико-зкономические показатели работы предприятия и уменьшает степень риска принимаемых решений.

2. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, применены предприятием Приаргуньс-кого горно-химического комбината при рабочем проектировании отработки блока 6А-812, а также при совершенствовании технологии в действующих очистных блоках, отрабатываемых с двух подэтажей.

3. Предлагаемый вариант мониторинга даст возможность получать прогнозные оценки состояния вмещающего и закладочного массива, а также отслеживать текущие изменения напряженно-деформированного состояния и своевременно корректировать проектные параметры.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается :

- представительностью исходных данных,

- большим объемом использованных экспериментальных и аналитических исследований,

- удовлетворительной сходимостью результатов расчета с данными эксперимента и имеющимися данными натурных наблюдений.

Личный вклад автора:

Автором получены аналитические выражения для описания граннчных условий с учетом стадийности технологического процесса и предыстории изменения геомеханического состояния отрабатываемого месторождения при ведении очистных (закладочных) работ.

Разработана обобщенная математическая модель месторождения, алгоритм и программный комплекс для модификации метода конечных элементов. Создано информационное обеспечение модели, организован диалоговый режим работы "ЭВМ-пользователь".

Разработана методика построения расчетной схемы модели и проведения исследований геомеханических процессов при ведении горных работ.

Проведены сопоставительные исследования проявлений горного давления с использованием математической модели и моделей из эквивалентных материалов.

Оценена погрешность метода и полученных результатов, подтверждена правомерность принятых допущений.

Обосновано применение методики для научно-ис-ледовательских и проектных работ и для геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методика использовалась для расчетов в НИР по теме: "Прогноз геомеханических процессов при интенсивной отработке крутопадающих удароопасных месторождений предприятия Приаргуньский горно-химический комбинат" (исходные данные для проектирования). В результате работы выпущены "Рекомендации по геомеханическому обоснованию и порядку ведения очистных работ несколькими слоями на разных уровнях в блоке для условий предприятия, и "Рекомендации по выбору параметров закладки и крепи для блока 6А-812". "Рекомендации..." предназначены для использования при рабочем и перспективном проектировании и составлении нормативных и руководящих материалов предприятия. Они использованы предприятием при рабочем проектирования отработки блока 6А-812, а также при совершенствовании технологии в действующих очистных блоках, отрабатываемых с двух подэтажей. "Рекомендации...", включенные составной частью в "Изменения и дополнения к временной инструкции по ведению горных работ в предохранительных зонах предприятия", направлены на достижение безопасных условий отработки по геомеханическому фактору.

Результаты работы по теме внедрены на предприятии Приаргуньского горно-химического комбината в 1987г.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научных семинарах кафедры разработки пластовых месторождений, на научно-методических семинарах предприятия и ВНИПИ Промтехнологии и на конференции по проблемам геологии, горной науки и производства.

Публикации.

По результатам выполненных исследований в открытой печати опубликовано семь работ.

Объем работы.

Диссертационная работа представлена на 126 страницах, содержит 34 рисунка, 8 таблиц, список использованной литературы из 74 наименований.

Диссертационная работа выполнена в течении 1986-1994 г.г. в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) на кафедре разработки пластовых месторождений под руководством доктора технических наук, профессора A.A. Борисова.

На всех этапах работь1 диссертант пользовался консультациями доцента, кандидата технических наук С.Н. Суглобова и старшего преподавателя, кандидата технических наук Е.Д. Кочеткова.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории физических проблем кафедры при участии А.Н. Филиппова, A.B. Горшкова, С.А. Голика и других.

Теоретические разработки выполнены автором са мостоятельно.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Геомеханическое состояние месторождения, отрабатываемого по технологии с грузонесушей твердеющей закладкой, обладает технологической наследственностью, обусловленной стадийным характером очистных и закладочных работ. Оценка напряяженно-деформированного состояния системы грузонесущих элементов массива и закладки должна производится с учетом меняющихся во времени и пространстве граничных условий, определяющих состояние технологических элементов принятой системы разработки.

Проведенный в работе анализ методов исследования по "конечному" состоянию ( авторы К. Ю. Репп, Н.И.Чесноков, Г.Н.Попов, Г.Н.Кузнецов, У.А.Алдамберге-нов и другие) показал, что расчет производится в статике, без учета предыстории изменения НДС, связанного со стадийностью отработки. Применение данных методик для анализа систем, наследующих геомеханическое состояние, принципиально невозможно из-за искажения реальных особенностей геомеханических процессов во вмещающем и искусственном массивах. Существующие стадийные расчеты (авторы Р.Б.Бейсетаев, М.О.Баймбе-тов и другие) на основе "метода последовательных циклов", предложенного C.B. Кузнецовым, не содержат математических алгоритмов, реализующих процесс перехода от расчета одной стадии к другой, что не позволяет правильно задавать граничные условия для каждой стадии расчета.

Можно утверждать, что в настоящее время не существует достаточно строгого математического аппарата.

для расчета НДС технологических элементов системы разработки с грузонееущей твердеющей закладкой, максимально приближенного к реальным геомеханическим процессам в системе вмещающие породы-закладочный массив.

Целью настоящей работы является разработка методики математического моделирования геомеханических процессов постадийной разработки месторождений с грузонееущей твердеющей закладкой.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическое описание правил задания граничных условий на каждой стадии расчета для учета технологической наследственности и алгоритм, реализующий стадийный характер очистных (закладочных) работ. Разработать программное обеспечение для модификации метода конечных элементов.

2. Разработать математическую модель месторождения, отрабатываемого с грузонееущей твердеющей закладкой для исследования геомеханических процессов стадийного характера и разработать методику построения расчетной схемы математической модели и ее информационного обеспечения.

3. Провести исследования проявлений горного давления в условиях конкретного предприятия и сравнить результаты математического моделирования с результатами аналогичных исследований методом физического моделирования на эквивалентных материалах. Оценить погрешность результатов математического моделирования, подтвердить правомерность принятых допущении.

4. Определить область целесообразного применения методики.

В рамках решения указанных выше задач защищаются научные положения, выдвинутые автором.

1. Граничные условия для каждой стадии задаются после завершения расчета напряженно-деформированного состояния предыдущей стадии, анализа пространственного положения контура извлекаемого участка и определения величины и направления "дополнительных" напряжений.

Общие принципы постадийного расчета для любого заданного количества стадий сформулированы C.B. Кузнецовым, В.Н. Одинцевъш и другими. Напряжения при отработке за п стадий для породного массива:

{<W.T> = К" )п + £ {аяоп Г ,

к=1

для закладочного массива на i-ом участке:

Ё{адопК, fc=i+i

где: тг - текущая стадия, n—\...N , N - количество стадий, i - текущий участок отработки i=l...n-l, à"" - напряжение "нетронутого" массива, одоп - "дополнительные" напряжения, полученные в решении для i-ой стадии.

Постановка задачи в "дополнительных" напряжениях предложена И.В.Родиным. В данном алгоритме на каждой стадии задача имеет постановку в соответствующих "дополнительных" напряжениях, полученных на предыду-

ВЦ О к

начале расчета моделируется нетронутый выработкой массив и определяются величины напряжений, действующих по нормали к контуру выработки ох и оу , и реакция породного участка, предназначенного к выемке <зх и - сту (рис. 1а). После извлечения элементов, соответствующих выработке, на ее контуре будут действовать только "дополнительные" напряжения ах и ау (рис.16), которые и вызовут деформацию контура. Узловые силы, эквивалентны этим напряжениям (рис.1в) :

д*=> ((kl * * sign(/Z),

(1)

Ry=> ((|c,| *a)/2) *sign(IZ),

где: Rx, Ry - "дополнительные" силы в узлах элемента,

°х > " "дополнительные" напряжения в элементе, а, Ь - расстояние между двумя узлами. sign(IZ) - знаковая функция, определяющая направ

ление действующих узловых сил. Для правильной ориентации сил необходимо верно установить знаки "дополнительных" напряжений. Расчет параметра IZ производится по дополнительно разработанной программе. Алгоритм учитывает, чтобы на каждом участке контура выработки они имели направление, противоположное направлению реакций со стороны

Рис.1. Схема к определению "дополнительных напряжений" на контуре извлекаемого участка а - до извлечения участка; б - после извлечения участка;

в - схема действия узловых сил, эквивалентных дополнительным напряжениям

извлекаемого участка массива. Очевидно, что если напряжения внутри контура выработки перед началом ее отработки окажутся сжимающими, то направление действия "дополнительных" напряжений, в которых будет производится расчет, должно быть ориентировано от контура к центру выработанного пространства (рис.2а), а при растягивающих - наоборот (от контура в сторону массива рис.26). Поэтому задание соответствующих узловых сил осуществляется только после расчета "дополнительных" напряжений и анализа пространственного положения контура извлекаемого участка. Условия, позволяющие правильно задавать направления "дополнительных" узловых сил в извлекаемых участках массива следующие:

а) при действии сжимающих напряжений сху < 0:

(2)

ху

сху < вху Кх}, Ля2 > 0; > 0, Лу2 < 0 Сху > В у => Ях3, Дх4 < 0; 11у3 < 0, Пу4 > 0

б) при действии растягивающих напряжений аху > 0 :

С*у < => Д.1, я* < 0; Яу1 < о, яу2 > о

(3)

> В*У=> ^ Лх4 > 0; Ду3 > 0, Яу4 < 0

где: С^ - координаты узла,

Вху - координаты барицентра элемента, Лх , Лу - узловые силы.

У < ¡V» |е»«ч <5Х»>0 я 3 с 7*« У! ¿ы

4 / 1 / 1 / 1/ . / *

■«и / • 1

¡у -б* ; ! ^ та

Ску 6 ху 6хц х

Рис.2. Схема ориентации узловых от:

а) при сжимающих напряжениях;

б) при растягивающих напряжениях

Правила задания направлений узловых сил в зависимости от знака напряжений, возникающих в элементах дают возможность достаточно просто и в тоже время достоверно отражать наследственные явления геомеханической системы породы-закладка.

2. Математическим аппаратом для исследования стадийных наследственных процессов является разработанный автором модифицированный метод конечных элементов, учмъгвашщий особенности геомеханического состояния путем циклического использования стандартного-метода и задания переменных граничных условий на каждой стадии расчета.

Для аналитических исследований в задачах геомеханики широкое распространение получил метод конечных элементов, так как он дает возможность расчитывать напряженно-деформированное состояние внутри области с различными деформационными свойствами. Однако стандартный набор программ и входных данных дает решение лишь статической задачи, обеспечивающей расчет на "конечное" состояние, без учета стадийного характера процесса.

Автором разработан модифицированный метод конечных элементов, позволяющий реализовать постадийный расчет геомеханических параметров системы вмещающие породы-закладочный массив. Постадийность расчетов обеспечивается за счет организации цикличного использования программного обеспечения стандартного метода. Технологическая наследственность задается переменными входными данными (граничными условиями), соответствующими

состоянию предшествующих стадий. Для учета технологической наследственности разработаны дополнительные программные модули, реализующие зависимости (1), (2), (3).

По значениям вектора перемещений, корректируются координаты узлов всех элементов расчетной схемы на каждой стадии:

Сп(хуУ =Сп(ху)°+ ¿¡Уп(а2/)к

к=1

где: г = 1.../У - число стадий,

п — 1 ...ЫР - число узлов,

Сп(ху)° - начальные координаты узловых точек,

ип(ху)к - перемещение узлов по оси X и У.

3. Для исследования напряженно-деформированного состояния технологических элементов системы разработки с грузонесушей твердеющей закладкой необходимо использовать математическую модель отрабатываемого участка шахтного поля, разработанную на базе модифицированного метода конечных элементов.

Сложность и многообразие процессов, связанных с отработкой месторождения, не позволяют строить абсолютно адекватные модели. В данной работе за допустимую максимальную погрешность идеализации объекта принята погрешность до 30%, определенная при расчете прочности закладки.

Массив принимается квазисплошным и изотропным, модель среды принята вязко-упругой. Реология

горных пород учитывается с помощью метода переменных модулей A.M. Линькова и Б.З.Амусина, а для расчета характеристик ползучести бетона в мегодике использованы формулы Н.X.Арутюняна и М.Н. Цыгалова. В каждой стадии расчета характеристики назначаются исходя из соответствующего прошедшего периода времени. Задание времени отработки элементарного объема позволит моделировать мощность, просгранственность рудного тела или пласта. Адекватность математической модели реальному объекту исследования обеспечивается заданием четырех систем 'входных данных: геометрии исследуемого участка массива, деформационных свойств пород, граничных и начальных условий.

Исходными данными для построения расчетной схемы математической модели служат геометрические размеры отрабатываемого участка. Они определяются уровнем детализации стадийности технологического процесса. Ч зависимости от масштаба поставленной задачи единичный обърм подлежащий эскавации и последующему заполнению закладкой, может представлять собой камеру (заход-

ку) слой, блок, залежь. Единичный объем соответствует

элемешу расчетной схемы, а технологический цикл выемки-закладки единичного объема - стадии расчета квазистатического состояния массива в математической модели.

Деформационные характеристики присваиваются каждому i-му элемешу расчетной схемы с учетом неоднородности горного массива по физическим свойствам (модуль деформации с учетом трещшюватости пород, коэффициент Пуассона, плотность пород). „

Массив принимается не упругим, а линеино-дефор-мируемым и модуль деформации массива предлагается

определять по экспериментально-аналитической методике К.В. Руппенейта. Определение свойств массива должно производится с учетом геологии конкретного месторождения и надежностью 80-90%.

Граничные условия задаются с помощью нулевых перемещений по координатным осям, т. к. на бесконечности массив считается не подверженным влиянию горных работ. На боковых границах 11—0, на нижней У==0, где II и V - перемещения в направлении осей X и У.

На верхней границе нагрузка Р распределена по узлам конечноэлементной сетки, соответственно ее размерам.

Р = 9,8*р *Н*(1._2 + 1,)/2,

где I - расстояние между узлами, м; II - глубина работ, м; р - плотность горных пород, кг/м3.

Эти данные составляют основной набор информационного обеспечения математической модели и на их основе с использованием стандартного метода определяют начальное состояние нетронутого выработкой массива горных пород.

Для осуществления постадийного расчета на основе модифицированного метода и возможности исследования геомеханинеского состояния месторождения в процессе отработки, математическая модель должна отражать порядок отработки (технологическую последовательность очистных и закладочных работ). Данные о порядке отработки (Мв ал и - номера свойств соответственно вынимаемого и закладываемого элемента). Деформационные свойства элементов, соответствующих выработанному пространству, считаются нулевыми, а элементов закладки

определяются данными конкретных предприятий. Эти данные образуют дополнительный набор входных данных модели и обеспечивают задание стадийности отработки. Кроме того, дополнительный набор позволяет вводить данные, изменяющиеся в процессе ведения горных работ.

Расчетная схема математической модели приведена на рис.3.

Для проверки работоспособности методики и возможности использования разработанной модели для исследования состояния геомеханической системы массив-закладка были проведены сравнительные исследования поведения массива с результатами моделирования на эквивалентных материалах. Экспериментальные исследования выполнены сотрудниками Санкт-Петербургского государственного горного института С.Н.Суглобовым, Е.Д.Кочетковым и другими под руководством профессора A.A. Борисова для одного из месторождений Приаргуньско-го горно-химического комбината. При сравнении наблюдается качественное совпадение полученных кривых, а погрешность находится в пределах точности расчета и не превышает 30%.

4. Проведенные расчеты доказали эффективность применения методики как самостоятельного инструмента исследований в научно-исследовательских и проектных работах. даюшего уточненные характеристики напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки. Алгоритм стадийного расчета является основой математического обеспечения геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесушей твердеющей закладкой.

ж

л

и !'

7

Щ

р

ш

(

'I

ж.

у

и

Л

1,3,4 - свойства пород;

2 - выработанное пространство;

5 - закладка,

6 - руда

ш - мощность рудного тела, 3 -£■ 30 м; Ь - ширина заходки, 4т 8м;

- высота слоя, 3 -г- 4 м;

- ширина блока, 50 м; Ь^, - высота блока, 60 м;

"о,,

- размеры исследуемой области

Рис.3. Расчетная схема математической модели

Для обоснования необходимости применения именно стадийного расчета автором выполнены сопоставительные расчеты но разработанной методике и по "конечному" состоянию. Различия носят количественный и качественный характер. Величины напряжений в закладке, полученные при приложении нагрузок к уже окончательно сформированному искусственному массиву, имеют завышенные значения по сравнению с постадийным расчетом в пределах от 30% до 100%. Кроме того, расчет, выполненный по конечному состоянию, не выявляет факта разгрузки только что возведенного участка искусственного массива, что объясняет многие случаи расхождения расчетных величин, полученных статическим расчетом и практическими замерами. Таким образом, воспроизведение в расчетах стадийности и наследственности является единственной возможностью получить достоверную информацию об изменениях геомеханического состояния исследуемого участка в процессе отработки и на конец работы и уточнить коэффициент запаса.

Стадийный расчет был применен для геомеханического обоснования возможности отработки крутопадающих рудных тел с разделением блока на два одновременно работающих подэтажа в условиях предприятия Приар-гуньского горно-химического комбината. Автором изучалось напряженно-деформированное состояние рудного и искусственного массивов при последовательной отработке блока (рис. 4 кривая 1) и при одновременном ведении работ с двух подэтажей (кривые 2 и 3). Сравнительный анализ показал, что отработка большей части запасов верхнего и нижнего подэтажей не отличается от сплошной, без деления на подэтажи, до момента

Рис.4. Характер распределения напряжений в рудном (3,4) и закладочном (1,2) массивах

уменьшения рудного участка между полублоками до высоты трех-четырех слоев. Это приводит к увеличению напряжения в нем более, чем 80 МПа (что превышает допустимый коэффициент концентрации напряжений, принятый равным 3,5) и превышению предела прочности рудного массива на сжатие (0,80- Условия безопасности работ должны создаваться по действующим нормативам одинаково как для интенсивной, так и для традиционной выемки до превращения целика в опасный концентратор напряжении. Дополнительные защитные мероприятия необходимо проводить для возможности отработки внутриблокового целика. Исследованиями на математической модели установлено, что снизить горизонтальные напряжения до допустимых величин можно, создав вертикальную разгрузочную зону с помощью полностью разрушенных пород, расположенную на контакте рудного тела и вмещающих пород. Увеличение высоты зоны на один слой в сторону кровли разгружает очистной забой и коэффициент концентрации напряжений уменьшается до 1.5 (кривая 4). Проведенные исследования дали возможность определять безопасные по геомеханическому фактору параметры отработки при принятой концентрации горных работ.

Возможность получать информацию о состоянии отрабатываемого участка на любой стадии его существования (ранее отработанный и заложенный участок, рабочий забой, участок, подлежащий выемке) и на конец отработки позволяет оценивать геомеханическую обстановку во время эксплуатации месторождения.

В настоящей работе автором предлагается применение разработанного алгоритма в качестве математического обеспечения расчетной части геомеханического

мониторинга отработки месторождения для оценки и контроля напряженно-деформированного состояния вмещающего и закладочного массива. Блок-схема представлена на рис.5. Блоки 1-3 предназначены для проведения расчетов в рамках проектных нормативов и хранения полученных данных по всем стадиям отработки. Эта информация используется в дальнейшем для оценки геомеханической обстановки и необходимости корректировки проектных решений. Во время эксплуатации месторождения текущее напряженно-деформированное состояние каждой стадии отработки определяется в зависимости от его предыстории, хранимой в архиве (блок 4 и 6).

Блок 7 сравнивает расчетные параметры состояния системы массив-закладка с эталонным значением для соответствующей стадии, поступающим из архива 3. Если расхождения находятся в пределах допустимых погрешностей расчета и выполняются критерии безопасности, отработка следующего участка месторождения на (г+1)-й стадии ведется по принятым ранее проектным параметрам (блок 10). В противном случае необходима проверка по фактическому напряженному состоянию, полученному натурными замерами (блок 9). Если предельное состояние не достигается, то возможна корректировка в пределах технологического процесса.

Если существующие мероприятия не выводят систему на нормальный режим работы, то необходимо применение мероприятий глобального характера и рассмотрение вопроса о возможности продолжения работ (блоки 11, 12, 13). В случае принятия решения о продолжении работ необходима корректировка эталона с г-й по /У-ю стадию.

bfKÓHEÜ)

8 ¡Мероприятия no' дельного Up««-тер»

9 КОНТРОЛЬ«»« 3ÍMÍP0»

M

¡i

ГШСИСГСИА

упрьътм

СОСТОЯНИЕМ

млссиал

горных

ПОРОД

Мероприятия мооапькоги х«р«<т«р9 Bint м«роЛри«тии

i

iL.

Примят»« решения о npoion-хснпи работ

—о

-J

Рис.5. Блок-схема геомеханического мониторинга

Геомеханический мониторинг разрабатывается одновременно с проектированием горных работ и должен работать параллельно во времени с отработкой месторождения весь срок службы шахты. Его цель - обеспечение технического руководства шахты информацией о состоянии и возможном поведении отрабатываемого месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор существующих методов расчета напряженно-деформированного состояния технологических элементов системы разработки с грузонесущей твердеющей закладкой показал, что несмотря на многообразие подходов к определению геомеханических характеристик, в постановке задач отсутствует ряд важных факторов, влияющих на достоверность отражения физических процессов в системе вмещающие породы-закладочный массив и являющихся определяющими для принятия решений по выбору рациональных параметров данной системы разработки.

Технология отработки с грузонесущей твердеющей закладкой является наиболее прогрессивным и перспективным способом добычи полезных ископаемых, в связи с чем очевидна актуальность разработки новых методических подходов в расчетах для уточнения параметров напряженно-деформированного состояния и геомеханического обоснования выбора рациональных параметров системы разработки.

В диссертации разработан математический аппарат для исследования состояния системы вмещающие

породы-закладочный массив, реализующий технологическую наследственность геомеханического состояния отрабатываемого участка, порождаемую стадийностью очистных (закладочных) работ.

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформулированы математические соотношения, которые описывают зависимость состояния каждой последующей стадии отработки от суммарного изменения напряженно-деформированного состояния всех предыдущих стадий, что позволяет расчитывать граничные условия в зависимости от предыстории геомеханического состояния.

2. Разработан алгоритм постадийного расчета напряженно-деформированного состояния породного и искусственного массива, модифицирован метод конечных элементов и создана на его основе математическая модель месторождений, отрабатываемых с грузонесущей тверде-кющей закладкой.

3. Разработана методика построения расчетной схемы и информационного обеспечения модели для исследования геомеханического состояния системы порода-закладка в процессе ведения очистных (закладочных) работ.

4. Методика является самостоятельным инструментом для научно-исследовательских работ. Проведенные на разработанной модели исследования в условиях предприятия Приаргуньского горно-химического комбината позволили:

- обосновать возможность двухподэтажной отработки блока,

геомеханически обосновать выбор защитных мероприятий;

- рассчитать нормативную прочность закладочного материала в зависимости от напряженного состояния искусственного массива и назначить разнопрочную закладку по слоям;

- определять коэффициент устойчивости искусственной кровли и корректировать выбранные параметры крепи.

При промышленном внедрении разнопрочной закладки, экономия цемента в закладочной смеси составила 6, 923 т. Это позволило дополнительно произвести закладку 40 тыс м3 выработанного пространства. Удельный вес и общий экономический эффект за 11 месяцев составил соответственно 1,3 руб/м3 и 184 тыс. руб(в ценах 1988 г.).

В результате корректировки проектных решений, на предприятии за 1988 г. снижен расход лесоматериалов на крепление искусственной кровли (по сравнению с базовой 1987 г.) с 28 м3 до 14 м3 на 1000 м3 добытой рудной массы.

Геомеханическое обоснование возможности отработки блока с двух подэтажей позволило предприятию перейти на интенсивную отработку блоков в целях повышения их производительности. По данным 1990 г. производительность блока повышена в 1.6 - 1.7 раза с экономической эффективностью около 5.8 млн. руб. в год (в ценах 1990 г.).

5. Алгоритм стадийного расчета является основой математического обеспечения геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Реализация технологической последовательности при математическом моделировании геомеханических процессов. /Казакова Т.А., Кочетков Е.Д., Суглобов С.Н. Зап. ЛГИ МГП 1990г. т. 123, Санкт-Петербург.'

2. Основные закономерности проявлений горного давления при разработке крутопадающих месторождений с твердеющей закладкой. /Казакова Т.А., Кочетков Е.Д., Суглобов С.Н. Сб. "Технический прогресс в атомной промышленности", серия ГМП 1986, вып. 10, Москва.

3. Реализация принципа стадийности в геомеханических расчетах параметров системы разработки./Суглобов С.Н., Кочетков Е.Д., Казакова Т.А., Сб. "Технический прогресс в атомной промышленности", серия ГМП, 1986г., вып. 10, Москва.

4. К решению геомеханических задач для систем разработки с твердеющей закладкой./Казакова Т.А., Кочетков Е.Д., Суглобов С.Н. Сб." Технический прогресс в атомной промышленности", серия ПТР, 1992г., вып 1, Москва.

5. Геомеханическое обоснование эффективности примене-

ния защитных мероприятий при интенсивной отработке удароо-пасных месторождений./Горшков В.А., Казакова Т.А., Кочетков Е.Д., Суглобов С.Н. Деп. в ВИНИТИ 1992г.

6. Геомеханический мониторинг состояния массива горных пород при отработке месторождения с твердеющей звкладкой.

/ Суглобов С.Н,,Казакова Т.А. Деп. в ВИНИТИ 1993г.

7. Тезисы доклада на тему: "Геомеханический мониторинг отработки месторождения с твердеющей закладкой". Конференция по проблемем геологии, горной науки и производства. Казакова Т.А., Суглобов С.Н., 1993г., Санкт-Петербург.

РИЦ СПГТИ.21.09.95.3.490.т. 100 экз. 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2