Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве
Цель. Установление неустойчивых областей закладочного массива при влиянии отработки запасов руд в смежной камере посредством компьютерного моделирования для разработки путей повышения его устойчивости. Методика. Исследования напряженного состояния разномодульного массива, состоящего из руды, пород...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Розробка родовищ |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104735 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве / М. Петлеваный // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 48-54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-104735 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1047352016-07-15T03:02:09Z Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве Петлеваный, М. Цель. Установление неустойчивых областей закладочного массива при влиянии отработки запасов руд в смежной камере посредством компьютерного моделирования для разработки путей повышения его устойчивости. Методика. Исследования напряженного состояния разномодульного массива, состоящего из руды, пород и закладки выполнены при помощи программного обеспечения SolidWorks 2011 с полным соответствием их физико-механических свойств. Результаты. Посредством компьютерного моделирования выявлены неустойчивые области в закладочном массиве камеры первой очереди под влиянием отработки камеры второй очереди. Установлено, что вертикальная компонента напряжений формирует область сжимающих напряжений в массиве закладки камеры первой очереди отработки на сопряжении ее обнажения с кровлей отрабатываемой камеры со следующими размерами: вглубь массива – до 50 м, по вертикали обнажения – 9.8 м, а максимальная величина напряжений достигает 89 МПа. В этой же области горизонтальная компонента формирует также область сжимающих напряжений, но с меньшим значением в 65 МПа. Горизонтальная компонента напряжений формирует в закладочном массиве камер первой очереди область растягивающих напряжений на уровне подэтажа 775 – 810 м при размерах: вглубь массива – до 7 м, по вертикали обнажения – 10 м, а максимальная величина напряжения достигает 4 МПа. Мета. Встановлення нестійких областей закладного масиву при впливі відпрацювання запасів руд у суміжній камері за допомогою комп’ютерного моделювання для розробки шляхів підвищення його стійкості. Методика. Дослідження напруженого стану різномодульного масиву, що складається з руди, порід та закладки виконані за допомогою програмного забезпечення SolidWorks 2011 з повною відповідністю їх фізико- механічних властивостей. Результати. За допомогою комп’ютерного моделювання виявлено нестійкі області у закладному масиві камери першої черги під впливом відпрацювання камери другої черги. Встановлено, що вертикальна компонента напружень формує область стискаючих напружень у масиві закладки камери першої черги відпрацювання на сполученні її відслонення з покрівлею камери, що відпрацьовується, з наступними розмірами: вглиб масиву – до 50 м, по вертикалі відслонення – 9.8 м, а максимальна величина напружень сягає 89 МПа. У цій же області горизонтальна компонента формує також область стискаючих напружень, , але з меншим значенням у 65 МПа. Горизонтальна компонента напружень формує у закладному масиві камер першої черги область розтягуючих напружень, на рівні підповерху 775 – 810 м при розмірах: вглиб масиву – до 7 м, по вертикалі відслонення – 10 м, а максимальна величина напруження сягає 4 МПа. Purpose. Detecting unstable areas in the filling mass taking into account configuration of the adjacent mineable chambers to improve its formation. Methods. The research into stress state of multi-modulus mass consisting of ore, rocks and filling was conducted using SolidWorks 2011 software with the full compliance of their physical and mechanical properties. Findings. Computer simulation allowed to reveal unstable areas in the filling mass of the first stage chamber under the influence of the development of the second stage chamber. It was found that the vertical stress component forms an area of compressive stresses in the filling mass of the first stage chamber at the junction of its exposure to the roof of filling chamber with dimensions: depth of the mass – up to 50 m, vertical outcrop – 9.8 m, the maximum value of stress reaching 89 MPa. The horizontal stress component also forms an area of tensile stress, but with a lower value of 65 MPa. The horizontal stress component generates in the filling mass of the first stage chambers the area of tensile stresses on the substage level 775 – 810 m with dimensions: depth of the mass – up to 7 m, vertical exposure – 10 m, and the maximum stress value – up to 4 MPa. 2016 Article Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве / М. Петлеваный // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 48-54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 2415-3435 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/mining10.02.048 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104735 622.273.217.4 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Цель. Установление неустойчивых областей закладочного массива при влиянии отработки запасов руд в
смежной камере посредством компьютерного моделирования для разработки путей повышения его устойчивости.
Методика. Исследования напряженного состояния разномодульного массива, состоящего из руды, пород и
закладки выполнены при помощи программного обеспечения SolidWorks 2011 с полным соответствием их физико-механических свойств.
Результаты. Посредством компьютерного моделирования выявлены неустойчивые области в закладочном
массиве камеры первой очереди под влиянием отработки камеры второй очереди. Установлено, что вертикальная компонента напряжений формирует область сжимающих напряжений в массиве закладки камеры первой
очереди отработки на сопряжении ее обнажения с кровлей отрабатываемой камеры со следующими размерами:
вглубь массива – до 50 м, по вертикали обнажения – 9.8 м, а максимальная величина напряжений достигает
89 МПа. В этой же области горизонтальная компонента формирует также область сжимающих напряжений, но
с меньшим значением в 65 МПа. Горизонтальная компонента напряжений формирует в закладочном массиве
камер первой очереди область растягивающих напряжений на уровне подэтажа 775 – 810 м при размерах: вглубь
массива – до 7 м, по вертикали обнажения – 10 м, а максимальная величина напряжения достигает 4 МПа. |
| format |
Article |
| author |
Петлеваный, М. |
| spellingShingle |
Петлеваный, М. Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве Розробка родовищ |
| author_facet |
Петлеваный, М. |
| author_sort |
Петлеваный, М. |
| title |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| title_short |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| title_full |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| title_fullStr |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| title_full_unstemmed |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| title_sort |
влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104735 |
| citation_txt |
Влияние конфигурации очистных камер на формирование напряжений в разномодульном массиве / М. Петлеваный // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 48-54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| series |
Розробка родовищ |
| work_keys_str_mv |
AT petlevanyjm vliâniekonfiguraciiočistnyhkamernaformirovanienaprâženijvraznomodulʹnommassive |
| first_indexed |
2025-07-07T15:45:43Z |
| last_indexed |
2025-07-07T15:45:43Z |
| _version_ |
1837003595294179328 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 10 (2016), Issue 2, pp. 48-54
48
UDC 622.273.217.4 http://dx.doi.org/10.15407/mining10.02.048
ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ ОЧИСТНЫХ КАМЕР НА ФОРМИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЙ В РАЗНОМОДУЛЬНОМ МАССИВЕ
М. Петлеваный1*
1Кафедра подземной разработки месторождений, Национальной горный университет, Днепропетровск, Украина
*Ответственный автор: e-mail petlyovany@ukr.net, тел. +380963194577
INFLUENCE OF CONFIGURATION CHAMBERS
ON THE FORMATION OF STRESS IN MULTI-MODULUS MASS
M. Petlovanyi1*
1Underground Mining Department, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine
*Corresponding author: e-mail petlyovany@ukr.net, tel. +380963194577
ABSTRACT
Purpose. Detecting unstable areas in the filling mass taking into account configuration of the adjacent mineable
chambers to improve its formation.
Methods. The research into stress state of multi-modulus mass consisting of ore, rocks and filling was conducted
using SolidWorks 2011 software with the full compliance of their physical and mechanical properties.
Findings. Computer simulation allowed to reveal unstable areas in the filling mass of the first stage chamber under
the influence of the development of the second stage chamber. It was found that the vertical stress component forms
an area of compressive stresses in the filling mass of the first stage chamber at the junction of its exposure to the roof
of filling chamber with dimensions: depth of the mass – up to 50 m, vertical outcrop – 9.8 m, the maximum value of
stress reaching 89 MPa. The horizontal stress component also forms an area of tensile stress, but with a lower value
of 65 MPa. The horizontal stress component generates in the filling mass of the first stage chambers the area of ten-
sile stresses on the substage level 775 – 810 m with dimensions: depth of the mass – up to 7 m, vertical exposure –
10 m, and the maximum stress value – up to 4 MPa.
Originality. Analytical assessment of the filling mass stability allowed to conclude that: at the junction of its expo-
sure to the roof of filling chamber, the compressive stress exceeds the strength of filling mass 1.8 times, in the center
of filling mass on the outcrop, the tensile stress exceeds the strength of filling 1.3 times. Vertical stresses exceed
horizontal stresses 1.35 times in the areas of filling destruction.
Practical implications. The obtained findings related to the stress state of the filling mass can be used in issuing
passports for stopes in choosing the filling mode and composition of the filling mixture.
Keywords: stress state, strength, filling mass, chamber, chamber configuration
1. ВВЕДЕНИЕ
При разработке рудных месторождений в слож-
ных горно-геологических условиях или с высоким
качеством руды запасы исчерпываются, их становит-
ся меньше, а горные работы переносятся в глубину
недр. Образовавшиеся полости в недрах заполняются
закладочными смесями.
В системах разработки крутопадающих рудных
залежей с закладкой выработанного пространства
вопросы устойчивости массива и горных пород явля-
ются актуальными независимо от глубины ведения
горных работ. Находясь в контакте между собой, руда
и закладочный массив обладают разными физико-
механическими свойствами. С каждым годом эксплу-
атации месторождения объем возводимого искус-
ственного массива возрастает относительно рудных
запасов. Затем наступает переломный момент эксплу-
атации месторождения, когда они становятся соизме-
римыми и начинают превышать рудные запасы.
Применение вяжущих веществ в закладочной
смеси для создания монолитности и увеличения
прочностных свойств искусственного массива тре-
бует временных параметров, обеспечивающих це-
лесообразность ведения очистных работ по крите-
рию разубоживания. Временной фактор для дости-
жения необходимой прочности искусственным
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
49
массивом и горное давление, которое меняется с
возрастанием глубины разработки, создает окру-
жающую среду в месте разработки рудной залежи и
горный массив с разными модулями деформации.
Следовательно, напряженно-деформированное сос-
тояние этого массива зависит не только от величи-
ны горного давления (глубины разработки), но и
технологическими и конструктивными особенно-
стями системы разработки. На величину напряже-
ний также влияют прочностные свойств окружаю-
щих пород и закладочного массива, находящихся
на разных временных отрезках изменения структу-
ры и твердения. Поэтому при исследовании напря-
женного состояния горнорудного массив (руда,
порода, закладка), находящегося на контакте с эле-
ментами системы разработки, следует представ-
лять, как состоящего из разных значений модуля
упругости, т.е. разномодульным.
Из всех структурных образований горнорудного
массива наиболее негативное влияние на качество
рудной массы оказывает составляющие закладочной
смеси. Загрязнение руды закладочным материалом на
1% снижает извлечение металлов в концентраты на
0.8 – 1.0%, в то время как разубоживание вмещаю-
щими породами на тот же 1% – лишь на 0.15 – 0.20%
(Golik, Gabaraev & Polukhin, 2014). Высокие показа-
тели разубоживания отмечаются на многих рудниках,
в частности на Заполярном (17.4%), Гайском (11.0%),
Орловском (6.7%), Текелийском (14.0%) и др.
(Kunanbaev, Zelentsov & Makarov, 2001; Boguslavskiy &
Minaev, 2005; Volkov, Sokolov & Smirnov, 2009). На
рудниках Кривбасса же среднее разубоживание по
рудникам составляет 8.7% (Chetverik, 2012).
Вопрос минимального засорения руды пустыми
породами и закладкой остается постоянно актуаль-
ным для рудников. Рыночные цены на железную
руду устанавливается за 1% содержания в ней же-
леза и для успешного экспорта необходимо выдер-
живать качественные характеристики во избежание
потери ее конкурентоспособности. На протяжении
многих лет на рудниках прочность закладочного
массива выработанного пространства рассматрива-
ется, в большинстве случаев, только на сжатие. Но
изменение геометрических размеров и конфигура-
ции очистных камер, а также ухудшение горно-
геологических условий отработки рудной залежи
оказывает существенное влияние на распределение
растягивающих напряжений (Kuz’menko, Petlyo-
vanyy & Stupnik, 2013).
При этих условиях закладочный массив должен
сохранять устойчивость к обнажению на контакте с
ним. Данное явление происходит при отбойке руды
взрывом в очистных камерах второй очереди отра-
ботки и выпуске руды из них. Исходя из этих сооб-
ражений, системы разработки рудных месторожде-
ний с твердеющей закладкой требуют постоянного
совершенствования составов закладочных смесей,
обеспечения качества формирования закладочного
массива по изложенным выше причинам и эконо-
мически обоснованы для поддержания конкретно-
сти на рынке рудного сырья.
2. АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Вопросы влияния очистного пространства камер
на формирование напряженного состояния горных
пород и искусственного массива рассматривались в
работах (Kononenko, 2010; Khomenko, Kononenko, &
Netecha, 2016). Авторы исследовали зону влияния
очистного пространства на устойчивость и располо-
жение нарезных выработок выемочного блока и
охранных целиков. В работе (Russkikh, Yavors’kyy,
Zubko & Chistyakov, 2013) рассмотрено влияние оче-
редности отработки камер на состояние пород вися-
чего бока залежи, а в работе (Kaplenko & Tsarikov-
skiy, 2005) приведены результаты влияния формы
очистных камер на напряженное состояние рудопо-
родного массива и устойчивость обнажения. Однако,
в этих работах не нашли отражение вопросы, связан-
ные с устойчивостью искусственного массива и
установлением областей, склонных к разрушению,
что является важным для прогнозирования величины
засорения рудной залежи при системах разработки с
твердеющей закладкой.
В первом приближении объемы разрушения раз-
номодульного массива вокруг отрабатываемой каме-
ры второй очереди можно оценить по показателям
разубоживания добытой руды. Под влиянием очист-
ных работ контуры обнажения пород и закладки
склонны к деформированию с последующим обру-
шением в очистное пространство. На Рисунке 1 пред-
ставлены средние показатели разубоживания желез-
ных руд при отработке запасов Южно-Белозерского
месторождения в этаже 640 – 740 м.
Рисунок 1. Показатели разубоживания руды в зависимо-
сти от порядка отработки и расположения
очистных камер
Из информации, представленной на Рисунке 1,
можно сделать вывод, что наибольшее разубоживание
руды наблюдаются при ее добыче из камер лежачего
бока второй очереди, а более подробные исследования
изложены в работе (Kuz’menko & Petlevanyy, 2014).
В данном случае высокой долей вероятности мож-
но утверждать, что основным разубоживающим мате-
риалом является компоненты закладки камер первой
очереди. Закладочный массив расположен в боках
очистной камеры и в кровле отрабатываемой камеры.
Вывалы закладочного массива различной формы
происходили во всех отрабатываемых этажах шахты
“Эксплуатационная” Запорожского железорудного
комбината (Kuz’menko & Usatyy, 2010). В этаже 715 –
840 м в камере 1/15ю произошел вывал закладки из
кровли выше заложенной камеры и пород висячего
бока в объеме 19 тыс. т вблизи гор. 775 м (Рис. 2).
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
50
Рисунок 2. Области вывалов закладки с кровли и пород
висячего бока в камере 1/15ю
Это привело не только к снижению качества ру-
ды, но и увеличению объема закладки для заполне-
ния отработанной камеры и образовавшейся полости.
Анализ устойчивости горных пород и закладочно-
го массива при обнажениях послужил основой для
исследований геомеханических процессов в разно-
модульном массиве вокруг отрабатываемой камеры
второй очереди, где возможен наибольший показа-
тель разубоживания.
Таким образом, необходимо установить причины,
способствующие формированию зон напряжений в
породном и закладочном массиве путем проведения
вычислительных экспериментов на базе современных
компьютерных программ моделирования поведения
горного массива.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Компьютерное моделирование геомеханических
процессов формирование напряжений вокруг высо-
кой очистной камеры выполнялось для условий
отработки запасов железных руд в этаже 740 – 840 м
Южно-Белозерского месторождения, где активно
ведется горные работы. Для моделирования выбра-
на центральная часть рудной залежи вкрест про-
стирания, горно-геологические условия которой
учитывают, как особенности южного, так и север-
ного крыла месторождения. Модель состояла из
четырех блоков:
– структура и механические характеристики вме-
щающих пород лежачего и висячего бока в пределах
воздействия горного давления, вызванного отработ-
кой камеры второй очереди;
– механические характеристики закладочного
массива камер первой очереди в этаже 740 – 840 м и
в кровле отрабатываемой камеры (выше заложенный
этаж 640 – 740 м);
– механические характеристики разрабатываемой
рудной залежи в этаже 740 – 840 м;
– технологические параметры ведения очистных
работ (геометрические параметры камер, глубина
ведения горных работ, очередность отработки камер,
расположение горных выработок и др.).
По каждой из блоков модели проведено обосно-
вание параметров элементов рассматриваемой геоме-
ханической системы для максимально реального
отображения процессов, возникающих в горном мас-
сиве при отработке камер второй очереди.
В первом блоке рассматривались механические
характеристик пород висячего и лежачего боков,
необходимые для достоверного моделирования гео-
механических процессов в окрестности очистных
камер. В пределах этажа 740 – 840 м вмещающие
породы лежачего бока представлены сланцами хло-
рит-серицитового состава с прослоями метопесчан-
ников мощностью от 5 до 15 – 20 м крепость сланцев
колеблется в пределах f = 6 – 7 до f = 7 – 9, средней
трещиноватости и устойчивости. Вмещающие поро-
ды висячего бока представлены сланцами кварц-
хлорит-серицитового состава крепостью от f = 6 – 8
до f = 8 – 10 и гематито-мартитовыми, серополосча-
тыми, тонко-среднеслоистыми кварцитами средней
трещиноватости и устойчивости крепостью f = 14 – 16.
Вмещающие породы висячего и лежачего бока
представляют собой монолитный массив. При моде-
лировании учитывались модуль упругости пород и
коэффициент Пуассона.
Во втором блоке модели установлено, что закла-
дочный массив камер первой очереди отработки в
этаже 740 – 840 м обладает прочностью на сжатие
8 МПа. Искусственный массив данной прочности
приравнивается к прочности горного массива с ко-
эффициентом f = 5 по шкале проф. М.М. Протодья-
конова и соответствует прочности на сжатие 50 МПа.
Закладочный массив этажа 640 – 740 м по устойчи-
вости также соответствует пределу прочности на
сжатие 50 МПа.
В третьем блоке модели принято горизонтальную
мощность рудной залежи равной 100 м. В моделируе-
мой области очистной камеры мощность рудной за-
лежи по падению составляет в среднем 30 м. По гори-
зонтам она меняется и соответственно составляет
50 – 60 м на гор. 740 м, на гор. 775 м – 35 – 50 м, на
гор. 810 м – 18 – 35 м и на гор. 840 м – 6 – 10 м. Сред-
невзвешенный коэффициент крепости руды шкале
проф. М.М. Протодьяконова составляет f = 6.
В четвертом блоке модели обоснованы техноло-
гические параметры ведения очистных работ. Иссле-
дование формирования полей напряжений в массиве
горных пород выполнено на примере среднестати-
стической очистной камерой этажа 740 – 840 м. Дан-
ный выбор обусловлен активным ведением горных
работ по добыче руды в сравнении с другими выше
отрабатываемыми этажами. Приняты усредненные
геотехнические условия (глубина размещения очист-
ной камеры Н = 840 м, угол падения залежи α = 67°,
горизонтальная мощность отрабатываемой залежи
m = 90 м, высота камеры – 100 м, ширина – 30 м,
длина – 50 м).
Обоснование моделируемых механических харак-
теристик горного массива выполнено по данным
горно-геологического прогноза средней части рудной
залежи 740 – 840 м и сведены в Таблице 1. Очистная
камера располагалась вкрест простирания и рассмат-
ривалась на заключительной стадии отработки, кон-
тактируя с закладочным массивом. К модели прикла-
дывалась нагрузка от давления пород покрывающей
толщи равная 20 МПа, эквивалентная глубине веде-
ния очистных работ 790 м.
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
51
Таблица 1 – Характеристика моделируемого горного массива вокруг камер второй очереди отработки на глубине 840 м
Параметр
Породы
висячего бока
Породы
лежачего бока
Рудный
массив
Закладочный
массив
Плотность, т/м3 3500 2700 3900 2300
Модуль Юнга, МПа 15000 8000 6000 600
Коэффициент Пуассона 0.25 0.25 0.25 0.15
Прочность на растяжение, МПа 12.0 22.5 5.5 5.0
Прочность на сжатие, МПа 120 90 55 50
Прочность рудного, породного и искусственного
массива определялась в зависимости от их крепости
по методике, изложенной в работе (Chistyakov, Kulish,
Moshinskiy & Zubko, 2011), а упругие свойства – по
данным физико-механических испытаний лаборато-
рии комбината.
Расчетная схема (Рис. 3) для исследования напря-
женного состояния разномодульного массива вклю-
чала следующие элементы: массив горных пород
висячего и лежачего боков, рудный массив и закла-
дочный массив, состоящий из заложенных камер
вышеотработанного этажа и камеры висячего бока.
Рисунок 3. Расчетная схема нагрузок разномодульного
массива вокруг отрабатываемой очистной
камеры второй очереди
Для исключения влияния краевого эффекта на
формирование напряжений вокруг камеры соблюде-
ны граничные условия. Вертикальный размер модели
принят 750 м, а горизонтальный размер области
исследований составил более 750 м, что соответству-
ет не менее трехкратного размера исследуемого
объекта (камеры).
В результате выполненных расчетов получена
эпюра вертикальных σy напряжений, представленная
на Рисунке 4.
Как видно из Рисунка 4, вдоль верхней и нижней
границ модели компоненты σy, соответствующие
напряжению (γН) нетронутого массива (18.4 – 22 МПа)
распределены равномерно. В боках очистной камеры
возмущения σy затухает на расстоянии гораздо мень-
шем боковых границ модели.
Рисунок 4. Эпюры распределения вертикальных σy
напряжений вокруг очистной камеры
Характер распределения поля напряжений пока-
зывает, что основные области их концентрации нахо-
дятся в породах лежачего бока, представленными
массивами руды и закладки, что связано с конфигу-
рацией камер в принятой системе разработки.
Область небольших сжимающих напряжений
расположена в породах лежачего бока в центральной
части очистной камеры и ее протяженность состав-
ляют 37.5 м. Максимальные сжимающие напряжения
составляют 8 – 11 МПа.
Форма зоны – вихреобразная. Сжимающие напря-
жения имеют место и в массиве закладки камеры
первой очереди отработки. Они располагаются на
сопряжении ее обнажения с кровлей отрабатываемой
камеры на глубину до 50 м (зона напряжений, пре-
восходящих предел прочности на сжатие, распро-
страняется до 5 м). Максимальная величина концен-
трации напряжений в закладочном массиве составля-
ет 89 МПа, что в 1.8 раз превышает ее предел проч-
ности на сжатие. Очевидно, что в данных областях
происходит разрушение закладочного массива. Раз-
мер зоны максимальных сжимающих напряжений по
вертикали обнажения составляет 9.8 м. Форма зоны –
волнообразная. Повышенные напряжения на сопря-
жении кровли с боком камеры влекут за собой тре-
щинообразование и вывалообразование закладочного
материала. Породы лежачего бока находятся в устой-
чивом состоянии. Вывалообразование в этой зоне
прослеживается довольно редко.
Область небольших сжимающих напряжений
(3.3 – 8.5 МПа) расположена в кровле камеры в мас-
сиве закладки. Ее размеры составляют 70 м. На кон-
туре камеры растягивающие напряжения составляют
0.3 МПа, распространяясь на глубину массива до 3 м.
Также, растягивающие напряжения располагаются
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
52
непосредственно в днище камеры в породах лежаче-
го бока и рудном массиве. Область распространения
данных напряжений достигает 15 м при их макси-
мальном значении 5 МПа. Данная область представ-
лена эллипсоидной формой. Эпюра горизонтальных
σx напряжений, представлена на Рисунке 5.
Рисунок 5. Эпюры горизонтальных напряжений SX
вокруг очистной камеры
Характер распределения горизонтальных напря-
жений вокруг камеры второй очереди отработки
показывает, что области слабых сжимающих напря-
жений формируются со стороны лежачего бока, рас-
пространяясь вглубь массива на 45 м. Величина
напряжений фактически равна 0 и колеблется от
0.1 до 2.3 МПа. Форма – эллипсоидная. В закладоч-
ном массиве область растягивающих напряжений
распространяется на высоту подэтажа 775 – 810 м,
имея максимальные значения 4 МПа. Область рас-
пространяется в массив закладки на расстояние 7 м.
Форма – трапециевидная. В данной области вероятно
разрушение закладочного массива.
Горизонтальная компонента растягивающих
напряжений σx способствует проявлению сжимаю-
щих напряжений в краевых частях очистной камеры.
В днище очистной камеры область данных напря-
жений имеет треугольную форму и распространяется
вглубь рудного массива на 15 м, имея максимальные
напряжения 45 МПа. Горный массив днища камеры
находится в упругом состоянии, что благоприятно
сказывается на отработке нижележащих камер.
На сопряжении кровли камеры с вертикальным
обнажением массива закладки имеет место концен-
трация сжимающих напряжений, представленная
трапециевидной формы, распространяясь на глубину
до 13 м. Величина максимального напряжения дости-
гает 65 МПа, что превышает предел прочности за-
кладочного массива на одноосное сжатие и является
причиной их разрушения. Установленные области
концентрации сжимающих и растягивающих напря-
жений, приводящих к разрушению закладочного
массива, хорошо согласуется с исследованиями
(Kalinichenko, 2006; Khomenko, Kononenko &
Petlyovanyy, 2014; Tiwari & Rao, 2004).
В краевой части очистной камеры на сопряжении
кровли с ее боком сформировалась область сжимаю-
щих напряжений, значения которых в 1.8 раз превос-
ходят прочность закладки на сжатие.
В закладочном массиве область растягивающих
напряжений располагается на уровне подэтажа
775 – 810 м, а их значения в 1.3 раза превосходит
прочность закладки на растяжение. При этом верти-
кальные напряжения превосходят горизонтальные в
областях разрушения закладки в 1.35 раз.
В результате моделирования установлено, что за-
кладочный массив, окружающий очистную камеру,
имеет неустойчивые зоны к обнажению. Следова-
тельно, между гор. 775 и 810 м, а также в подкро-
вельной части очистной камеры необходимо возво-
дить упрочняющие слои твердеющей закладки. Реа-
лизация предложенного решения находится в обос-
новании и подборе состава компонентов твердеющей
закладки, обладающей повышенной прочностью.
4. ВЫВОДЫ
Проведенные исследования устойчивости разно-
модульного горного массива вокруг очистной камеры
второй очереди отработки позволили сформулиро-
вать следующие научные и практические результаты:
– в краевой части камеры на сопряжении кровли с
боком камеры формируется область вертикальных
повышенных сжимающих напряжений, превосходя-
щие в 1.8 раз прочность закладки на сжатие;
– горизонтальная компонента напряжений фор-
мирует области сжимающих напряжений в том же
месте, что и при вертикальной компоненте;
– в закладочном массиве на уровне подэтажа
775 – 810 м располагается область растягивающих
напряжений, превосходящих в 1.3 раза прочность
закладки на растяжение.
Таким образом, можно отметить, что устойчивость
обнажений искусственного массива зависит от рас-
сматриваемых геометрических параметров очистной
камеры и ее конфигурации. Снижение разубоживания
отбитой рудной массы можно достичь при примене-
нии закладочных смесей, которые создают монолит-
ный массив с высокими прочностными свойствами.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Автор выражает благодарность техническим ру-
ководителям шахты “Эксплуатационная” ЧАО
“Запорожский железорудный комбинат” за предо-
ставленную информацию по обрушениям закладоч-
ного массива.
REFERENCES
Boguslavskiy, E.I., & Minaev, D.Yu. (2005). Tekhnologiya
voskhodyashchey otrabotki mestorozhdeniy na bol’shikh
glubinakh. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byullet-
en’, (2), 161-165.
Chetverik, M.S. (2012) Perspektivnye napravleniya dobychi
rud v glubokikh kar’yerakh i shakhtakh Krivbassa.
Geotekhnichna mekhanika, (104), 51-60.
Chistyakov, E.P., Kulish, S.A., Moshinskiy, V.I., & Zubko, A.N.
(2011). Instruktsiya po opredeleniyu parametrov ochistnoy
vyemki pri sistemakh razrabotki s tverdeyushchey zaklad-
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
53
koy na zaporozhskom zhelezorudnom kombinate. Kryvyi
Rih: GP “NIGRI”.
Golik, V.I., Gabaraev, O.Z., & Polukhin, O.N. (2014). Utili-
zatsiya otkhodov dolomita v gornom proizvodstve. Sukhie
stroitel’nye smesi, (5), 14-16.
Kalinichenko, V.A. (2006). Issledovaniya napryazhenno-defor-
mirovannogo sostoyaniya kombinirovannykh iskusstven-
nykh massivov. Stalyi rozvytok hirnycho-metalurhiinoi
promyslovosti, 155-156.
Kaplenko, Yu.P., & Tsarikovskiy, V.V. (2005). Vliyanie nap-
ryazhennogo sostoyaniya gornogo massiva i gorno-geolo-
gicheskikh usloviy na parametry obnazheniy i formu
ochistnykh kamer. Razrabotka rudnykh mestorozhdeniy,
(88), 11-24.
Khomenko, O., Kononenko, M., & Netecha, M. (2016). Indus-
trial research into massif zonal fragmentation around mine
workings. Mining of Mineral Deposits, 10(1), 50-56.
http://dx.doi.org/10.15407/mining10.01.050
Khomenko, O., Kononenko, M., & Petlyovanyy, M. (2014).
Investigation of stress-strain state of rock massif around the
secondary chambers. Progressive Technologies of Coal,
Coalbed Methane, and Ores Mining, 241-245.
http://dx.doi.org/10.1201/b17547-43
Kononenko, M.M. (2010). Doslidzhennia napruzheno-deformo-
vanoho stanu masyvu navkolo ochysnykh kamer. Naukovyi
Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (4), 51-53.
Kunanbaev, N.S., Zelentsov, S.N., & Makarov, A.B. (2001).
Issledovanie prochnostnykh i deformatsionnykh svoystv
zakladochnogo massiva. Gornyy zhurnal, (5), 36-38.
Kuz’menko, A.M., & Usatyy, V.V. (2010). Modelirovanie
ustoychivosti formy vysokikh ochistnykh kamer pri siste-
makh razrabotki zhelezorudnykh mestorozhdeniy s tverde-
yushchey zakladkoy. In Shkola pidzemnoi rozrobky (pp. 30-
38). Dnipropetrovsk: Natsionalnyi hirnychyi universytet.
Kuz’menko, A.M., & Petlevanyy, M.V. (2014). Vliyanie struk-
tury gornogo massiva i poryadka otrabotki kamernykh za-
pasov na razubozhivanie rudy. Heotekhnichna Mekhanika,
(118), 37-45.
Kuz’menko, O., Petlyovanyy, M., & Stupnik, M. (2013). The
influence of fine particles of binding materials on the
strength properties of hardening backfill. Mining of Mineral
Deposits, 45-48.
http://dx.doi.org/10.1201/b16354-10
Russkikh, V., Yavors’kyy, A., Zubko, S., & Chistyakov, Y.
(2013). Study of rock geomechanical processes while
mining two-level interchamber pillars. Mining of Mineral
Deposits, 149-152.
http://dx.doi.org/10.1201/b16354-26
Tiwari, R., & Rao, K. (2004). Physical modeling of a rock mass
under a true triaxial stress state. International Journal of
Rock Mechanics and Mining Sciences, (41), 396-401.
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.03.073
Volkov, Yu.V., Sokolov, I.V., & Smirnov, A.A. (2009). Opre-
delenie effektivnogo sootnosheniya pokazateley poter’ i
razubozhivaniya dlya usloviy Gayskogo podzemnogo rud-
nika. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’, (1),
380-384.
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Установление неустойчивых областей закладочного массива при влиянии отработки запасов руд в
смежной камере посредством компьютерного моделирования для разработки путей повышения его устойчивости.
Методика. Исследования напряженного состояния разномодульного массива, состоящего из руды, пород и
закладки выполнены при помощи программного обеспечения SolidWorks 2011 с полным соответствием их фи-
зико-механических свойств.
Результаты. Посредством компьютерного моделирования выявлены неустойчивые области в закладочном
массиве камеры первой очереди под влиянием отработки камеры второй очереди. Установлено, что вертикаль-
ная компонента напряжений формирует область сжимающих напряжений в массиве закладки камеры первой
очереди отработки на сопряжении ее обнажения с кровлей отрабатываемой камеры со следующими размерами:
вглубь массива – до 50 м, по вертикали обнажения – 9.8 м, а максимальная величина напряжений достигает
89 МПа. В этой же области горизонтальная компонента формирует также область сжимающих напряжений, но
с меньшим значением в 65 МПа. Горизонтальная компонента напряжений формирует в закладочном массиве
камер первой очереди область растягивающих напряжений на уровне подэтажа 775 – 810 м при размерах: вглубь
массива – до 7 м, по вертикали обнажения – 10 м, а максимальная величина напряжения достигает 4 МПа.
Научная новизна. Дана аналитическая оценка устойчивости закладочного массива: на сопряжении его об-
нажения с кровлей отрабатываемой камеры – превышение сжимающих напряжений над прочностью закладки в
1.8 раз, в центре закладочного массива на обнажении – превышение растягивающих напряжений над прочно-
стью закладки в 1.3 раза. Установлено, что вертикальные напряжения превосходят горизонтальные напряжения
в областях разрушения закладки в 1.35 раз.
Практическая значимость. Полученные результаты исследования напряженного состояния закладочного
массива могут использоваться при проектировании паспортов на закладку выемочных камер при выборе режи-
ма заполнения и состава закладочной смеси.
Ключевые слова: напряженное состояние, прочность закладочного массива, очистная камера, конфи-
гурация камер
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Встановлення нестійких областей закладного масиву при впливі відпрацювання запасів руд у суміж-
ній камері за допомогою комп’ютерного моделювання для розробки шляхів підвищення його стійкості.
Методика. Дослідження напруженого стану різномодульного масиву, що складається з руди, порід та за-
кладки виконані за допомогою програмного забезпечення SolidWorks 2011 з повною відповідністю їх фізико-
механічних властивостей.
Результати. За допомогою комп’ютерного моделювання виявлено нестійкі області у закладному масиві ка-
мери першої черги під впливом відпрацювання камери другої черги. Встановлено, що вертикальна компонента
M. Petlovanyi. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 48-54
54
напружень формує область стискаючих напружень у масиві закладки камери першої черги відпрацювання на
сполученні її відслонення з покрівлею камери, що відпрацьовується, з наступними розмірами: вглиб масиву –
до 50 м, по вертикалі відслонення – 9.8 м, а максимальна величина напружень сягає 89 МПа. У цій же області
горизонтальна компонента формує також область стискаючих напружень, , але з меншим значенням у 65 МПа.
Горизонтальна компонента напружень формує у закладному масиві камер першої черги область розтягуючих
напружень, на рівні підповерху 775 – 810 м при розмірах: вглиб масиву – до 7 м, по вертикалі відслонення –
10 м, а максимальна величина напруження сягає 4 МПа.
Наукова новизна. Дана аналітична оцінка стійкості закладного масиву: на сполученні його відслонення з
покрівлею камери, що відпрацьовується, – перевищення стискаючих напружень над міцністю закладки у
1.8 разів, в центрі закладного масиву на відслоненні – перевищення розтягуючих напружень над міцністю
закладки у 1.3 рази. Встановлено, що вертикальні напруження перевищують горизонтальні в областях руйну-
вання закладки у 1.35 разів.
Практична значимість. Отримані результати дослідження напруженого стану закладного масиву можуть
використовуватися при проектуванні паспортів на закладку виїмкових камер при виборі режиму заповнення та
складу закладної суміші.
Ключові слова: напружений стан, міцність закладного масиву, очисна камера, конфігурація камер
ARTICLE INFO
Received: 17 February 2016
Accepted: 4 May 2016
Available online: 30 June 2016
ABOUT AUTHORS
Mykhailo Petlovanyi, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Underground Mining Department, National
Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/57, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: petlyovany@ukr.net
|