автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка методики расчета сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений методом конечных элементов

На правах рукописи

( ! ; ; /•;/

,/ П/.

М'М-

Ашихмин Сергей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.15.01 — "Маркшейдерия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург —1995

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель— доктор технических наук, профессор

Кашников Юрий Александрович

Официальные оппоненты : доктор технических наук

Сашурин Анатолий Дмитриевич; кандидат технических наук Самарин Владимир Петрович

Ведущая организация - АО ОТ "УРАЛРУДПРОМПРОЕКТ"

Защита диссертации состоится -и» декабря 1995 г. в час. на заседании диссертационного совета К 063.03.03 в Уральской государственной горно — геологической академии по адресу : 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской . государственной горно — геологической академии.

Автореферат разослан "2Н" ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.П.Тюлькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Для современного этапа развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии характерно вовлечение в разработку месторождений со сложными горно—геологическими условиями, увеличение глубины и повышение интенсивности ведения горных работ на действующих рудниках. Возрастают масштабы воздействия горных работ на окружающую среду, увеличиваются размеры участков массива и земной поверхности, подверженных процессам сдвижения горных пород, в зоне подработки оказываются многие ответственные объекты.

Все это приводит к повышению актуальности проблем, связанных с охраной зданий и инженерных сооружений от вредного влияния горных работ.

Многолетние инструментальные наблюдения и теоретические исследования,проведенные в ведущих научно — исследовательских институтах, таких, как ВНИМИ, УНИПРОМЕДЬ, ИГД УрО РАН, ВИОГЕМ и др., позволили решить большой крут вопросов, связанных с охраной сооружений от подработки, выпущены нормативные документы по охране зданий и сооружений для отдельных рудных месторождений. В то же время для предрасчета сдвижений и деформаций на рудных месторождениях чаще всего используются эмпирические зависимости, которые имею! ограниченную область применения, а аналитические решения получены только для выработок простой геометрии в изотропном массиве. В этих условиях большое развитие получили численные методы решения задач механики горных пород и особенно — метод конечных элементов (МКЕ ). МКЕ широко используется в подземном строительстве при ' расчетах крепи выработок, в гидротехническом строительстве, при расчете осадок различных сооружений.

Однако в настоящее время для решения вопросов, связанных с охраной зданий и сооружений от подработки, МКЕ практически не используется, причем как в нашей стране, так и за рубежом. В этой связи исследование вопросов, касающихся практического применения МКЕ для прогноза сдвижений и выбора мер охраны сооружений от подработки на рудных месторождениях, является актуальной научной и практической задачей.

Исследования по теме диссертации проводились автором на кафедре "Маркшейдерское дело и геодезия" Пермского

государственного технического университета в ходе выполнения грантов :

Грант Российского фонда фундаментальных исследований. Проект .№ 94 — 05—17841а "Численные модели и методы прогноза и управления деформированным состоянием подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений";

Грант высшей школы "Фундаментальные исследования в области горных наук". Договор № 93—64/Б "Разработка методов компьютерного моделирования глобальных процессов деформирования скальных массивов рудных месторождений как основы для принятия стратегических решений при проектировании горных работ",

а также следующих хоздоговорных НИР : "Прогноз параметров сдвижения горных пород при разработке глубоких горизонтов рудников Зыряновского свинцового комбината";

"Исследование сдвижения вмещающих пород под влиянием подземной разработки и его влияние на устойчивость и сохранность полевых горных выработок, подземных и поверхностных промышленных объектов для Тишинского и Риддер— Сокольного месторождений";

"Прогноз параметров сдвижения вмещающих пород в условиях комбинированной отработки с разработкой Указаний по охране сооружений от вредного влияния горных работ по Тишинскому и Риддер — (Цокольному месторождениям".

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методики расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого скального массива методом конечных элементов, учитывающей его структуру, свойства и особенности деформирования.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании основных геомеханических моделей горного массива и их реализации методом конечных элементов с учетом особенностей деформирования скальных пород для расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого скального массива.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ включали в себя анализ существующих отечественных и зарубежных методов прогнозирования параметров процесса сдвижения на рудных месторождениях; проведение инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород и анализ их результатов; численное моделирование процессов подработки скальных массивов.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые в работе, и их новизна: зависимость линейных параметров процесса сдвижения от упругих и прочностных характеристик скальных пород, отличающаяся нелинейным характером с наличием участков интенсивного, монотонного роста сдвижений и их стабилизации;

характер влияния угла дилатансии I, на величины сдвижений скального массива, отличающийся тем, что степень этого влияния уменьшается с глубиной, что позволяет при расчетах сдвижений скальных пород на глубинах свыше 350 — 400 м угол дилатансии не учитывать ;

численное моделирование разрушения скального массива с использованием в качестве критерия разрушения величины предельного касательного смещения по трещине, что позволяет производить обратные расчеты по определению прочности горных пород в массиве.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в обосновании методических подходов к прогнозированию сдвижений и деформаций скальных массивов методом конечных элементов и их реализации в комплекте программ "СЕОТЕХ", который позволяет прогнозировать величины напряжений, сдвижений и деформаций скальных массивов при открытой и подземной разработке месторождений, а также вокруг одиночных выработок и больших выработанных пространств ; в выявлении характера и степени влияния различных факторов на величины сдвижений подрабатываемого скального массива.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается : представительным объемом инструментальных наблюдений, использованием общепризнанных геомеханических моделей горного массива, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными инструментальных наблюдений.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты данной работы использовались при выборе мер охраны зданий и инженерных сооружений на Тишинском руднике и руднике "40 лет Октября" Лениногорского полиметаллического комбината, для расчета сдвижений и деформаций горных пород на Малышевском рудном месторождении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Управление . напряженно—деформированным

з

состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых"

(Екатеринбург, 1994), на Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Пермь, 1995), на технических советах Лениногорского полиметаллического и Зыряновского свинцового комбинатов, на научно— технических совещаниях ПермГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 6 таблиц и список использованной литературы из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время в большинстве случаев для прогноза параметров процесса сдвижения на рудных месторождениях страны используются методические подходы, разработанные в ведущих научно — исследовательских институтах, таких, как ВНИМИ, УНИПРОМЕДЬ, ИГД УрО РАН, ВИОГЕМ и др. Прогнозируются в основном угловые параметры сдвижения с учетом формы и размеров рудных тел, размеры зон сдвижения в массиве, безопасные глубины разработки для объектов, а также возможность возникновения провалов земной поверхности. Для решения данных вопросов используются эмпирические зависимости, полученные на основе многолетних инструментальных наблюдений. Так, например, широко известны эмпирические зависимости, связывающие угловые параметры сдвижения с коэффициентом крепости пород, полученные М.А.Кузнецовым, А.Ф.Смирновым, А.Г.Шадриным, Г.Хрисчевым. При наличии активной системы трещин прогноз углов разрыва может быть сделан с теоретических позиций на основе рассмотрения уравнения предельного равновесия для участка массива, сдвигающегося по активной системе трещин. Подобную задачу рассматривали А.Г.Акимов, Ж.С.Ержанов, А.Ф.Смирнов, Г.И.Черный, Ю.Л.Юнаков. Наиболее полный учет всех действующих сил имеется в работах Хоека, Фергзона, ЮА.Кашникова, С.Н.Кутового.

Для расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого массива также наиболее часто применяют" эмпирические и полуэмпирические методы, разработанные А.Г.Акимовым,С.Г.Авершиным,

Р.А.Муллером, В.Н.Земисевым, Е.Литвинишиным, А.Г.Шадриным, С.Н. Зеленцовым, Р.Ф. Крушатиным и др.

В результате этих исследований решены многие важные практические вопросы, выпущены нормативные документы по охране объектов от подработки для отдельных рудных месторождений.

В то же время известная ограниченность эмпирических подходов побудила многих исследователей развивать полуэмпирические и аналитические методы расчета сдвижений и деформаций. В этой области широко известны работы С.Г.Авершина, Г.Кратча, В.Н.Земисева, А.Г.Шадрина, В.В.Куликова, М.Д.Г.Саламона и др. Анализ данных методов показывает, что они лучше всего подходят для пологих месторождений, отрабатываемых на большой глубине в слабых породах, т.е. там, где выполняются дифференциальные свойства мульды сдвижения. Для крутопадающих рудных месторождений известна разработанная А.Д. Сашуриным упругая изотропная модель, в которой учитывается влияние тектонических полей напряжений. Следует отметить, что все аналитические методы разработаны для изотропных сред и выработок простой конфигурации, что ограничивает их практическое использование. Сложность процесса сдвижения и бесконечное разнообразие горно — геологических условий не позволяют эффективно использовать аналитические методы и заставляют обращаться к численным методам. Наиболее популярным среди численных методов в настоящее время является метод конечных элементов, который позволяет без затруднений учитывать разнообразные неоднородности среды.

Известны многочисленные расчеты упругих смещений горного массива, выполненные при помощи МКЕ Г.Кратчем, Л.Мюллером, А,С.Ягуновым, В.И.Борщ—Компонийцем, А.Б.Макаровым и др., для случаев отработки угольных месторождений и пологопадающих рудных месторождений, разрабатываемых на большой глубине. Имеется также большое количество нелинейных моделей деформирования горных пород, которые развивали С.В.Кузнецов, М.В.Курленя, А.Б.Фадеев, И.В.Баклашов, В.Г.Зотеев, Р.Гудман, О.Зенкевич, В.Виттке. Разработанные ими модели применяются для расчета крепей, анализа устойчивости выработок, определения зон

разрушения вокруг подземных сооружений. Для расчета сдвижений подрабатываемого скального массива может быть использована однородная упруговязкопластическая модель В.Виттке, которая позволяет весьма просто учитывать особенности деформирования скальных пород.

Механизм деформирования скальных пород изучался в ходе инструментальных наблюдений за снижением горных пород, которые выполнялись при участии автора в период с 1986 по 1995 годы на трех крупнейших полиметаллических месторождениях Казахстана — Риддер —Сокольном, Тишинском и Зыряновском. Все месторождения представлены мощными крутопадающими рудными телами, залегающими в скальных породах различной крепости. Первоначально все месторождения отрабатывались открытым способом. В настоящее время отработка Риддер — Соколыюго и Зыряновского месторождений ведется системами с обрушением вмещающих пород, а Тишинское месторождение отрабатывается системами с твердеющей закладкой. Наблюдения проводились как по поверхностным, так и по подземным профильным линиям. Так, например, на Тишинском месторождении была создана комплексная наблюдательная станция, состоящая из одной поверхностной и четырех подземных профильных линий, расположенных на 6, 7, 10 и 11 горизонтах Тишинского рудника. Все линии ориентированы вкрест простирания рудного тела и находятся примерно в одной вертикальной плоскости.

Анализ результатов инструментальных наблюдений показывает, что на Риддер—Сокольном и Зыряновском месторождениях процесс сдвижения развивается в форме, характерной для месторождений неслоистого типа, т.е. развитие процесса сдвижения происходит дискретно, углы разрыва, углы сдвижения и граничные утлы практически равны. Процесс сдвижения начинается с формирования трещины вертикального отрыва под воздействием растягивающих напряжений и последующего сдвига заколовшегося участка по поверхности скольжения в выработанное пространство. Массив за трещиной деформируется как упругое тело, о чем свидетельствует незначительный размер зоны плавных сдвижений, появление сжатий интервалов и поднятий реперов, что объясняется разгрузкой массива от высоких касательных напряжений после срыва заколовшегося участка. Прогноз параметров сдвижения в данном случае можно ограничить определением геометрических параметров сдвигающихся

участков горного массива, т.к. за пределами трещины вертикального отрыва массив испытывает в основном лишь неопасные для сооружений упругие деформации разгрузки. Применительно к методу конечных элементов это будет означать получение упругопластического решения задачи о распределении напряжений и деформаций в подрабатываемом массиве и определение в нем зон разрушения.

Для Тишинского месторождения характерна интенсивная трещиноватость и сланцеватость ' пород, вследствие чего процесс сдвижения развевается, как на месторождении слоистого типа, и налицо существенная разница между углами сдвижения и углами разрыва. В пределах мульды сдвижения можно выделить все известные зоны сдвижения, в которых присутствуют все стадии деформирования пород — упругая, упругопластическая и стадия запредельного деформирования, где происходит разрушение пород на блоки и их беспорядочное перемещение в сторону выработанного пространства.

В данной ситуации выбор мер охраны сооружений целесообразно производить на основе сравнения допустимых и прогнозных деформаций, т.е. необходимо выполнять расчеты сдвижений и деформаций массива с учетом особенностей деформирования пород на допредельной и запредельной стадиях.

На исследуемых месторождениях весьма актуальны проблемы, связанные с охраной сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых погашенных бортов карьеров. Инструментальные наблюдения показывают, что в этих условиях сдвижение пород происходит в форме сдвига борта карьера по поверхности скольжения, форма которой определяется структурой пород и может быть как прямолинейной, так и плавной криволинейной. Это приводит к тому, что при отработке глубоких горизонтов углы сдвижения получаются весьма пологими ( 40 — 45° ), и в данной ситуации для обоснованного выбора мер охраны сооружений необходима выполнять расчеты деформаций массива при подработке. В связи со сложностью горнотехнической ситуации (наличие разных стадий деформирования пород, совместное влияние открытых и подземных горных работ ) такие расчеты предпочтительно проводить численными методами.

При разработке численной модели для расчета сдвижений скального массива за основу была взята однородная

упруговязкопластическая модель В.Витгке, применимость которой для прогноза сдвижений скального массива показана Кашниковым Ю.А. В ее основе лежит предположение о вязкопластическом характере деформаций, возникающих в скальном массиве при подработке. Вязкопластические смещения рассчитываются в случае превышения предела прочности породы по уравнению

{¿^1 = —Ря* ч

(1)

где V. _ нормальное и касательное напряжения в

плоскости трещины;

—вектор скорости вязкопластических смещений по трещине (нормальных и касательных);

— критерий разрушения в плоскости слоистости;

1 — вязкость материала, заполняющего поверхность раздела;

О. — пластический потенциал, совпадающий с условием пластичности, т.е. О. совпадает с

Непосредственно смещения определяются интегрированием выражения ( 1 ) по времени.

Критерий разрушения согласно однородной модели

определяется исходя из предположения, что в каждой точке массива можно выделить площадку пониженной прочности, которая соответствует поверхности ослабления, т.е. расчет производят для однородного материала, который по средним напряжениям и деформациям эквивалентен реальному массиву. Такой подход весьма удобен для моделирования слоистости и трещиноватости в скальных породах, а крупные неоднородности массива ( " тектонические нарушения и т.п. ) моделируются отдельно, путем сгущения сетки конечных элементов. Поскольку деформирование земной поверхности и приповерхностной части горного массива происходит при малых значениях нормальных сжимающих напряжений, то при расчете сдвижений необходимо применять нелинейные критерии

разрушения горных пород, т.к. аппроксимация огибающей предельных кругов напряжений Мора в области низких нормальных напряжений приводит к большим погрешностям. В связи с этим была рассмотрена возможность практического использования нелинейных критериев разрушения трещиноватых скальных пород Паттона, Джагера, Шнейдера и Бартона. Из практических соображений выбор был сделан в пользу критерия разрушения Джагера, т.к. в нем используются традиционные характеристики прочности горных пород, получаемые при инженерно —геологических изысканиях.

Для учета особенностей деформирования пород по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях были использованы результаты прямых опытов на срез, выполненных В.Лейхтницем.П.Ербаном и М.Дило (ФРГ) в начале 90 —х годов. В этих опытах исследовалось деформирование и разрушение образцов по поверхностям ослабления под действием нормальных Оп и касательных Тг нагрузок и зависимость Сп и от возникающих касательных и нормальных 8П к поверхности раздела

перемещений. Характерная диаграмма деформирования образца показана на рис.1. Подобный комплекс графиков приводит также и А.Б.Фадеев в своей монографии.

Согласно исследованиямВ.Лейхтница и П.Ербана на допредельной стадии деформирования выполняется соотношение :

Рис.1. Зависимость 1 и касательных смеш поверхности трещи! вующих напряжени!

внутреннее (град) и сцепление ды, и — угол дилатан

'п

3

(2)

где иР — предельное значение касательного смещения

8

5:

На запредельной стадии снижение прочности описывается с помощью функции разупрочнения экспоненциального вида.

Численная модель; использующая . соотношения (1) и (2), была реализована в МКЕ методом "начальных деформаций" на языке "FORTRAN —77м в комплекте программ "GEOTEX", предназначенном для применения на персональных компьютерах фирмы IBM. В комплект "GEOTEX" входят : программа автоматического разбиения расчетной области на треугольные конечные элементы," программа задания свойств материалов. и граничных условий! программы собственно расчета вязкопластических напряжений и деформаций и программа визуализации результатов расчета. Программы работают в интерактивном режиме и имеют развитую сервисную оболочку. Результаты расчета отображаются на экране монитора в цветном или монохромном изображении. Могут быть просмотрены поля перемещений, напряжений, деформаций и их отдельные компоненты, зоны разрушения, инварианты тензоров напряжений и деформаций, шаровые тензоры и девиаторы. Данные величины могут изображаться в виде векторов, изолиний, изополос, трехмерных поверхностей в аксонометрических проекциях, а также в виде эпюр по произвольным сечениям или в виде конкретных числовых значений в точках, указанных пользователем. Просмотр может вестись как для всей расчетной области, так и для ее отдельных фрагментов, с произвольным увеличением. Все полученные на мониторе изображения могут быть выведены в виде растра на лазерный принтер. .

Для оценки работоспособности программы "GEOTEX" были проведены тестовые расчеты вязкопластических деформаций в скальном массиве, разбитом двумя системами трещин, при проходке в нем строительного котлована (рис.2).

На рис.2 показаны рассчитанные упругие

(штриховая линия) и вязкопластические перемещения для откоса, разбитого системами трещин под углами падения 45°. Характер полученных вязкопластических перемещений соответствует опыту инструментальных наблюдений, а существенная разница в упругих и вязкопластических перемещениях показывает необходимость учета допредельной стадии деформирования при расчете сдвижений трещиноватого скального массива.

Также на основе расчетов по программе "GEOTEX" был установлен характер зависимости смещений отдельных точек на

Е = 3000 МПа ; у=0,25 ; у -0,025 МН/м!; С» =1,5 МПа; <р. =32,5° ; <рт =32,5° ; 1„=200 ; 6р = 1,5мм.

масштаб векторов смещений, мм

о ю а>

Рис.2. "Упругие (штриховая линия) и вязко пластические смещения скального массива строительного котлована

поверхности откоса от коэффициента запаса устойчивости и развитие зон разрушения в массиве при различных коэффициентах запаса. Как показано на рис.3, при уменьшении коэффициента запаса вплоть до п=1,05 происходит монотонный рост оседаний, а затем наступает их резкая активизация, что свидетельствует о приближении момента разрушения откоса. Аналогичным образом растут и горизонтальные сдвижения, а также зоны разрушения в массиве.

СР'

= 1,5 МПа ; = 32,5° ; = 32,5°; с

зоны разрушения * откоси 1 п>) ,01

Рис.3. Развитие зон разрушения и влияние коэффициента запаса устойчивости на величины оседаний отдельных точек откоса

Для выявления характера и степени влияния различных факторов на величины сдвижений подрабатываемого скального массива был выполнен ряд расчетов сдвижений пород по программе "СЕОТЕХ" на примере Тишинского свинцово — цинкового месторождения. Исследовалось влияние модуля упругости пород и закладки, прочностных характеристик (сцепления, внутреннего трения), а также угла дилатансии и на величины сдвижений. На рис. 4 показаны некоторые из полученных зависимостей. Результаты расчетов свидетельствуют, что величины сдвижений растут при уменьшении модуля упругости пород и закладки, при уменьшении прочности

ад влийние сцепления на величины сдвижений

N

__А

У

0

%-га 1,-20'

бр-г,оым

0.6 (¡„.ила

»•г о.* о.в С^.нпа

8> влияние угла дилатансии на величины сдвижений

Е,Ь--0м

А.Ь'Ои

У. К^ООи

--- _ Е__ ----

--- У

Сш«0,3 КПа

V«; .

Ч>,-20 бр>2,0ым

23 1,,ГРВД.

- горизонтальные сдвижения

--- оседания

Рис.4. Влияние сцепления и угла дилатансии на величины сдвижений отдельных точек подрабатываемого скального массива

г

0.4

10

пород и угла дилатансии. При этом отличительной чертой всех зависимостей является их нелинейный характер с наличием участков интенсивного, монотонного роста сдвижений и их стабилизации. Полученные графики показывают, что в зависимости от прочности и упругости пород возможен довольно резкий переход от малых сдвижений скального массива в случае его неслоистого строения до их значительных величин и выраженной мульды сдвижения в случае слоистого строения.

Также представляет интерес характер влияния угла дилатансии на величины сдвижений. Установлено, что степень влияния угла дилатансии уменьшается с глубиной, и на глубине 350 — 400 м величины сдвижений от угла дилатансии практически не зависят. Т.е. при расчетах сдвижений горных массивов на глубинах свыше 350 — 400 м угол дилатансии можно не учитывать.

Разработанные программы были применены для расчета сдвижений горных пород и земной поверхности при отработке Малышевского рудного месторождения до гор. ±0м. и до гор. — 120м. (исходные данные были предоставлены сотрудниками ВНИМИ В.М.Тяпиным, Е.И.Кузнецовой). Было получено весьма близкое соответствие рассчитанных и замеренных( от отработки до гор.Юм ) сдвижений и положение зон разрушения на земной поверхности. При отработке до гор.—120м рассчитанные сдвижения существенно возросли, однако зона разрушения локализовалась между рудным телом и тектоническим нарушением, не выходя за него.

Результаты исследований позволили также решить ряд проблем, связанных с охраной подрабатываемых сооружений на Тишинском месторождении.

Вначале был промоделирован процесс подработки ствола шахты РЭШ на Тишинском месторождении. Анализировалось развитие зон разрушения в массиве при различных значениях сцепления горных пород. При этом зону разрушения образуют элементы, в которых величина касательного смещения по трещине превзошла

предельное значение ^Р, т.е превышено предельное сопротивление сдвигу, и которые деформируются на стадии остаточной прочности. Последнее устойчивое решение было получено при значении сцепления с. =0,30 МПа, при значении сцепления с« =0,25 МПа итерационный процесс стал несходящимся, а контур полученной зоны разрушения весьма близок к инструментально

зафиксированной поверхности скольжения, по которой в 1975 году произошло разрушение ствола шх. РЭШ. Следует отметить, что по исследованиям института ВНИИЦВЕТМЕТ сцепление в массиве южного борта Тишинского карьера составляет 0,26 МПа. Эти расчеты показывают, что численное моделирование разрушения скального массива с использованием в качестве критерия разрушения величины предельного касательного смещения по трещине позволяет производить обратные расчеты по определению прочности горных пород в массиве.

Полученное таким образом значение сцепления пород в массиве (0,26МПа) было использовано при расчете сдвижений подрабатываемого южного борта Тишинского карьера с целью выбора мер охраны ствола "Вентиляционный" и комплекса выработок насосной и электроподстанции на 6 —м горизонте Тишинского рудника. Вначале были рассчитаны смещения пород при отработке месторождения до 10 —го горизонта, которые показали удовлетворительную сходимость с результатами наблюдений (рис.5).

Выполненный прогноз сдвижений при отработке рудного тела до 13 —го горизонта с твердеющей закладкой позволил выдать рекомендации по обеспечению нормальной эксплуатации объектов. На северном борту Тишинского карьера в зоне подработки находится ствол "Ульбинский". В качестве мер по обеспечению сохранности

Рис.5. Расчет сдвижений пород южного фланга Тишинского месторождения

замеренные сдвижения вычисленные сдвижения

ствола "Ульбинский'1 техническим руководством комбината рассматривается заполнение отработанного Тишинского карьера породой до отметки 550м в объеме 7,0 млн.т. По разработанной программе были рассчитаны сдвижения северного и южного бортов Тишинского карьера при различных объемах заполнения карьера породой. В ходе расчетов было исследовано влияние засыпки карьера на состояние стволов "Вентиляционный" и "Ульбинский", выработок насосной и электроподстанции 6-го горизонта. Установлено, что заполнение карьера породой, с одной стороны, значительно снижает горизонтальные сдвижения и деформации земной поверхности и массива пород, а с друтой — сильно увеличивает вертикальные сдвижения и деформации в массиве, прилегающем к рудному телу (рис.6), что можно объяснить давлением большой массы насыпанных пород на дно и стенки карьера. Таким образом, большой объем, навала пород сыграет скорее негативную, чем положительную роль.

■ Для условий Тишинского рудника оптимальным с точки зрения создания благоприятной горно —технической обстановки будет засыпка карьера до уровня 480 —500м. Как показывают расчеты, в этом случае деформации охраняемых объектов не превысят критических величин, а объем навала пород сократится на 4,1 млн.т., что обеспечит комбинату существенную экономию средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной за—

350

Рис.6! Развитие сдвижений пород в районе насосной 6 —го гор. Тишинского рудника при засыпке карьера

460 480 500 540

Уровень навала пород,м

дачи разработки методики расчета сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений методом конечных элементов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем :

1.Установлено, что при расчете сдвижений на рудных месторождениях слоистого типа необходимо учитывать особенности деформирования пород на допредельной стадии.

2.При расчете сдвижений земной поверхности и горных пород на малых глубинах необходимо использовать нелинейные критерии разрушения горных пород. Из соображений простоты и удобства практического применения целесообразно использовать критерий разрушения Джагера.

3.Разработана методика расчета сдвижений подрабатываемого скального массива, которая реализована в комплекте программ "СЕОТЕХ", позволяющем прогнозировать величины напряжений, сдвижений и деформаций при открытой, подземной и комбинированной отработке рудных месторождений, анализировать развитие зон разрушения и делать выводы об устойчивости подрабатывамых объектов.

4. Рассмотрено развитие зон разрушения в скальном откосе при уменьшении коэффициента запаса устойчивости и изучена зависимость смещений отдельных точек на поверхности скального откоса от коэффициента запаса.

5.Установлен характер влияния упругих и прочностных свойств пород и закладки, а также угла дилатансии на величины сдвижений подрабатываемого массива.

6.Установлено.что при расчетах сдвижений горных пород на глубинах свыше 350 —400м угол дилатансии можно не учитывать.

7.Показана возможность применения МКЕ и разработанных программ для обратных расчетов по определению величины сцепления в массиве горных пород с использованием в качестве критерия разрушения величины предельного касательного смещения по трещине.

8. Произведены расчеты сдвижений земной поверхности и горных пород для различных горно—технических ситуаций на Малышевском и Тишинском рудных месторождениях. Получена удовлетворительная сходимость рассчитанных и замеренных сдвижений.

9. Установлено, что засыпка отработанных карьеров приводит к существенному уменьшению горизонтальных сдвижений и деформаций земной поверхности и массива горных пород, с одной стороны, а с другой — значительно увеличивает вертикальные сдвижения и деформации в массиве, прилегающем к рудному телу.

10. Выполнены расчеты по определению оптимального уровня засыпки отработанного Тишинского карьера и выданы рекомендации по выбору мер охраны сооружений на Тишинском руднике.

Рекомендации по выбору мер охраны стволов "Вентиляционный", "Ульбинский" и выработок насосной и электроподстанции 6 —го горизонта переданы руководству Тишинского рудника.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1.Кашников Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С.Г. Деформирование скального массива по системам трещин // Изв. вузов. Горный журнал. -1992. - №3. - С.75 - 80.

2. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Кутовой С.Н. Инструментальный контроль и численные методы прогноза развивающихся деформаций подрабатываемых массивов рудных месторождений // Управление напряженно—деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых: Всерос. конф.: Тезисы докл./ ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН.-Новосибирск -Екатеринбург, 1994.-С.85-86.

3. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Прогноз параметров процесса сдвижения горных пород рудных месторождений методом конечных элементов // Маркшейдерский вестник. — 1995, —№ 2. —С. 37 — 39.

4. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Прогноз параметров процесса сдвижения горных пород рудных месторождений методом конечных элементов //Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Межд. симпозиум: Тезисы докл. /Горный институт УрО РАН.-Москва-Пермь, 1995.-С.61-62.

5. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Прогноз параметров процесса сдвижения горных пород рудных месторождений методом конечных элементов // Изв. вузов. Горный журнал, — 1995, —№ 9, —С. 50 — 55.

общ

Сдано в печать 17.11.25 г. Формат С0х84/10. Объем 1,25. Тирзд; 1С Г. Раказ 1411. Ротапринт ПГТУ.