Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки

Зазначено, що робота сил гірського тиску на незворотне деформування порід навколо підготовчої виробки змінюється згідно нелінійної залежності від розміру деформування розтину виробки....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Назимко, И.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2010
Schriftenreihe:	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99612
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:	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки / И.В. Назимко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 350-361. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-99612
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-996122016-05-01T03:02:42Z Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки Назимко, И.В. Зазначено, що робота сил гірського тиску на незворотне деформування порід навколо підготовчої виробки змінюється згідно нелінійної залежності від розміру деформування розтину виробки. Forces work of rock pressure on irreversible deformation of rock around preparation mine are changing on deformation value section of mine according to nonlinear dependence. 2010 Article Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки / И.В. Назимко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 350-361. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99612 622.834.1 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Зазначено, що робота сил гірського тиску на незворотне деформування порід навколо підготовчої виробки змінюється згідно нелінійної залежності від розміру деформування розтину виробки.
format	Article
author	Назимко, И.В.
spellingShingle	Назимко, И.В. Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки Наукові праці УкрНДМІ НАН України
author_facet	Назимко, И.В.
author_sort	Назимко, И.В.
title	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
title_short	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
title_full	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
title_fullStr	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
title_full_unstemmed	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
title_sort	исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки
publisher	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99612
citation_txt	Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки / И.В. Назимко // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 350-361. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
work_keys_str_mv	AT nazimkoiv issledovaniedinamikirabotysilgornogodavleniânaneobratimoedeformirovanieporodvokrugpodgotovitelʹnojvyrabotki
first_indexed	2025-07-07T09:38:30Z
last_indexed	2025-07-07T09:38:30Z
_version_	1836980487500857344
fulltext	Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 350 УДК 622.834.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАБОТЫ СИЛ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА НЕОБРАТИМОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОРОД ВОКРУГ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ Назимко И. В. (УкрНИМИ, г. Донецк, Украина) Зазначено, що робота сил гірського тиску на незворотне деформування порід навколо підготовчої виробки змінюється згі- дно нелінійної залежності від розміру деформування розтину ви- робки. Forces work of rock pressure on irreversible deformation of rock around preparation mine are changing on deformation value section of mine according to nonlinear dependence. Проблема обеспечения устойчивости подготовительных вы- работок при разработке месторождений полезных ископаемых характеризуется устойчивой актуальностью и обостряется по ме- ре углубления горных работ. В связи с этим возникает необходи- мость постоянного совершенствования технологий и средств крепления подготовительных выработок и способов их охраны и поддержания в сложных горно-геологических и горнотехниче- ских условиях. Однако разработка таких мероприятий не может продолжаться без накопления новых знаний о сложном механиз- ме необратимого деформирования пород вокруг подготовитель- ных выработок. На сегодня достаточно детально исследованы стадии упру- гого деформирования вокруг подготовительной выработки [1 – 3] и в некоторой степени стадии запредельного деформирования, когда формируется и развивается зона разрушенных пород во- круг подготовительной выработки [4, 5]. Если упругая стадия де- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 351 формирования исследована достаточно детально на математиче- ских моделях с учетом характера перераспределения напряжений и деформаций вокруг выработки, то запредельные стадии дефор- мирования вмещающих пород изучалась в основном лаборатор- ными экспериментальными методами, основанными на физиче- ском моделировании и шахтных инструментальных наблюдени- ях. Важно иметь в виду, что упругие процессы порождают вели- чины смещений на контуре выработки, сопоставимые с 10- 50 миллиметрами, тогда как смещения, измеряемые сотнями сан- тиметров, обусловлены исключительно необратимыми процесса- ми: пластическими деформациями, разрушением, запредельным деформированием и необратимым смещением блоков и кусков пород. Последние исследования показали, что такие смещения протекают поочередно вокруг выработки, что является следстви- ем эффекта самозаклинивания ранее разрушенных пород [6]. Несмотря на безусловную ценность данных, полученных эмпирическими методами, следует признать, что результаты та- ких исследований отражают в основном последствия необрати- мых проявлений горного давления и практически не затрагивают детально их причины. Из этого вытекает особая актуальность изучения механизма запредельного деформирования пород во- круг подготовительных выработок с помощью геомеханических моделей, основанных на учете необратимых процессов. В данной работе рассматриваются результаты математического моделиро- вания необратимых сдвижений вокруг подготовительной выра- ботки с учетом всех стадий начиная с упругой и заканчивая необ- ратимым перемещением блоков ранее разрушенных пород. Стоит отметить, что процесс запредельного деформирова- ния пород начинается при γH/R ≥ 0,3, а при дальнейшем росте величины критерия не затухает во времени. При отработке угольных месторождений это соответствует глубине более 800 м и прочности вмещающих пород 40-50 МПа. Отсюда следует, что применение методов, основанных на статическом равновесии системы, не подходит для анализа устойчивости выработок в ука- занных условиях. При не6равновесном деформировании массива необходим учет времени протекания процесса, что достаточно сложно сде- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 352 лать при использовании метода конечных или граничных элемен- тов. Гораздо удобнее такой подход реализовать на основе второго закона Ньютона. Этот подход впервые предложен П. Кундалом, что позволило расширить возможности численных методов и уй- ти от проблем сходимости решения к состоянию статического равновесия. Такой подход открывает новые возможности, по- скольку процесс необратимых сдвижений массива горных пород на контуре подготовительной выработки подчиняется кинетиче- ской теории прочности и протекает во времени. На базе такого подхода П. Кундалом предложен новый ал- горитм решения задач механики разрушения горных пород, осно- ванный на решении системы дифференциальных уравнений дви- жения и уравнениях связи напряжений и деформаций горных по- род, которые зависят от выбранной теории прочности. Дифференциальные уравнения движения массива горных пород записываются в следующем виде dt dvb x i i i ji ρρ σ =+ ∂ ∂ , , (1) где σi,j – нормальные и касательные напряжения, действую- щие в массиве горных пород, Па; xi – координаты декартовой системы, м; ρ – плотность горных пород, кг/м3: bi – удельные силы, развивающиеся в массиве горных пород, и приводимые к единице его массы Н/кг; vi – скорость движения элементарных объемов массива гор- ных пород, м/сек; t – время, сек. Если правая часть равна нулю, наступает статическое рав- новесие массива горных пород. В противном случае породы на- ходятся в состоянии движения, что сопровождается конечной скоростью смещений на контуре выработки, которая как показа- ли инструментальные наблюдения, варьируются в пределах от 1 до 72 мм/сут. Система дифференциальных уравнений решается числен- ным методом конечных разностей. При решении системы диффе- ренциальных уравнений используется современная модель проч- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 353 ности горных пород, основанная на теории Кулона-Мора. Это да- ет возможность реалистично моделировать процесс нелинейного деформирования вмещающих пород, включая участок запредель- ного деформирования и разуплотнение породы. На рис. 1, а приведена расчетная схема, которая использова- лась для компьютерного моделирования процесса разрушения пород вокруг подготовительной выработки при величине крите- рия устойчивости (γH/R) равном 0,4. Рис. 1. Расчетная схема (а) и характер разрушения пород во- круг подготовительной выработки в окрестности ее подготовительного забоя (б – степень разрушения указана полутонами) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 354 Рассматривалась магистральная подготовительная выработ- ка, которая расположена на глубине 850 м при прочности вме- щающих пород равной 45 МПа. Сечение принималось арочной формы, а его площадь равной 20 м2. При этом ширина выработки составляла 5,78 м, а высота 3,7 м. Границы расчетной области вниз от почвы, вверх от кровли и в сторону от боковой стенки выработки располагались на расстояниях 10, 15 и 10 м соответст- венно. Это позволило правильно задать граничные условия, и обеспечить достоверность результатов моделирования. Модуль объемного сжатия вмещающих пород принимался равным 5 ГПа модуль сдвига 3 ГПа, угол внутреннего трения вмещающих пород 350, сцепление 1 МПа, предел прочности на растяжение 1 МПа. Плотность пород составляла 2500 кг/м3, вер- тикальная компонента горного давления 21,2 МПа, горизонталь- ные 10 МПа. Задача решалась в трехмерной постановке. Для уменьшения времени решения рассматривалась правая половина сечения выработки. Моделируемая толща горных пород разбивалась на горизон- тальные слои, в пределах которых можно было задавать свойства осадочных пород. На вертикальных границах, перпендикулярных осям Х и Y ограничивались перемещения вдоль этих осей. На нижней границе расчетной области ограничивались вертикаль- ные перемещения, а к верхней границе прикладывались переме- щения с заранее заданной скоростью. Скорость перемещения границы вниз против направления вертикальной оси координат подбиралась такой, чтобы с учетом разрушения пород вокруг вы- работки и перераспределения напряжений вокруг ее сечения уро- вень вертикальной нормальной компоненты напряжений поддер- живался заданному в соответствии с глубиной заложения выра- ботки. Именно такой прием позволял моделировать процесс де- формирования пород во времени, а фронт разрушения пород во- круг выработки перемещался во времени и пространстве так, как это установлено в натурных условиях с помощью глубинных ре- перов [5]. Указанный подход адекватно отражает кинетическую природу прочности горных пород, в основе которой лежит про- цесс исчерпания долговечности породы с течением времени. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 355 Следует отметить, что технически время внутри модели реализовалось в виде циклов пересчета системы дифференциаль- ных уравнений. Соответствие же цикла и реального интервала времени в натуре обеспечивалось коэффициентом временного подобия, который устанавливался эмпирически на основе сопос- тавления расчетных и реальных проявлений горного давления и, в первую очередь, скорости смещений пород на контуре выра- ботки, размеров зоны разрушений и динамки ее роста. Для того чтобы правильно учесть начальное состояние мо- делируемой системы «крепь - окружающий массив горных по- род» использовалась реальная очередность процессов выемки и крепления горной выработки. Для этого вначале осуществлялось нагружение блока из горных пород нормальными напряжениями, которые соответствовали глубине заложения выработки. Важно подчеркнуть, что при этом обеспечивалось статическое равнове- сие всей системы, поскольку именно в таком состоянии находит- ся массив горных пород до проведения горных работ. Статиче- ское равновесие достигалось демпфированием разбалансирова- ния внутренних сил в модели после ее нагружения. Поскольку модель нагружали мгновенно, внутри модели возникали инерци- онные силы, которые приводили к колебательным процессам. Эти динамические процессы подавлялись итерационным спосо- бом путем демпфирования невязки сил в отдельных узлах рас- четной области. Важно отметить, что в нетронутом блоке горного массива заранее задавалась форма выработки. Это осуществлялось путем подбора формы расчетных зон или элементов, на которые разби- валась расчетная область. Это видно на рис. 1, а, поскольку в не- тронутом массиве горных пород уже угадывается сечения буду- щей подготовительной выработки. После достижения статиче- ского равновесия осуществлялась выемка горной породы внутри полости подготовительной выработки. Выемка породы сопрово- ждалась перераспределением напряжений в модели и разрушени- ем пород в тех областях, где условие прочности нарушалось. По- скольку согласно кинетической теории прочность пород зависит от скорости нагружения, следовало осуществлять выемку с такой Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 356 скоростью, которая соответствовала реальной скорости проходки выработки. В том случае, когда выемка породы осуществляется мгно- венно (как например это всегда реализуется в методе конечных элементов), возникали динамические явления вокруг полости вы- работки, что искажало характер разрушения вмещающих пород и приводило к колебательным динамическим процессам перерас- пределения напряжений. В данном случае такой эффект был не- желателен, поскольку он искажал реальный характер разрушения вокруг проходимой выработки. Реально массив горных пород во- круг подготовительной выработки на большой глубине постоян- но находится в неравновесном состоянии. Однако такое состоя- ние близко к состоянию равновесия. Анализ результатов расчета показал, что смещения пород меняются во времени, однако вы- раженные динамические явления отсутствуют, а скорость смеще- ний пород на контуре выработки, как уже указывалось, не пре- вышает нескольких десятков миллиметров в сутки. Обеспечение указанных условий гарантировало достовер- ность результатов моделирования, поскольку скорости смещений на контуре выработки соответствовали установленным в натур- ных условиях. На рис. 1, б показан характер разрушения вме- щающих пород и их смещений на контуре выработки. Наиболее интенсивные неупругие деформации протекают в боковых стен- ках выработки, в почве и в кровле и в меньшей степени в цен- тральной части плоскости подготовительного забоя. Интенсив- ность разуплотнения пород в боковых стенках выработки и ее почве достигают 4 % и более, а скорость конвергенции составля- ет порядка 2-10 мм/сут. Указанные скорости конвергенции соответствовали изме- ренным в натурных условиях на контуре уклонных выработок шахты Щегловка. Выработка охраняется в таких же условиях, при которых произведено математическое моделирование. На- помним, что адекватные натурным скорости конвергенции и ха- рактер деформирования вмещающих пород получали путем на- стройки параметров модели и, в первую очередь подбором скоро- сти перемещения верхней границы расчетной области. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 357 В процессе проведения подготовительную выработку кре- пили рамной и анкерной крепью. Крепи устанавливали в забое выработки согласно требованиям. Анализ результатов моделиро- вания показал, что в процессе развития зоны разрушенных пород вокруг выработки уменьшаются напряжения, а максимум их пе- редвигается вглубь породного массива. Эта закономерность хо- рошо согласуется с результатами шахтных натурных наблюде- ний, выполненных с помощью глубинных реперов [7]. Оказалось, что процессы разрушения отдельных блоков по- род сопровождаются накоплением энергии деформации с после- дующим ее высвобождением в процессе разрушения. Важно, что участки, в пределах которых образуются локальные концентра- ции энергии деформаций, меняются в пространстве и времени в хаотическом порядке. При визуализации результатов моделиро- вания в реальном масштабе времени наблюдается мерцание мо- заики распределения, что отвечает кластерному механизму необ- ратимых сдвижений массива горных пород [8]. Разрушенные блоки массив группируются во временные пространственные структуры, называемые кластерами. Эти структуры перемещают- ся как единое целое до тех пор, пока возникает локальный эффект самозаклинивания кластеров, после чего начинается накопление энергии в данном кластере. При превышении эквивалентных напряжений допустимого уровня кластер разрушается. При этом распад кластера происхо- дит по ранее разрушенным границам (трещинам) или по участку ненарушенного массива, то есть разрушается блок ранее разру- шенной породы и разделяется на более мелкие фрагменты. Ока- залось, что около 80 % кластеров перестраиваются без повторно- го разрушения породы. И лишь менее 20 % испытывает новое разрушение по нетронутому участку тела породных блоков. В результате указанного комплекса необратимых процессов вокруг выработки формируется зона неупругих деформаций и разрушений, которая видна на рис. 2. На рис. 3 показано распре- деление суммарной энергии горного давления, которая накопи- лась вокруг выработки в результате необратимых проявлений сил горного давления. Видно, что наиболее энергоемкий процесс раз- рушения и необратимых сдвижений горных пород происходит в Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 358 боках выработки. Менее энергоемкий процесс протекает в поро- дах кровли и минимум энергии горного давления расходуется на пучение пород почвы выработки. Такие результаты хорошо со- гласуются с данными инструментальных наблюдений. На рис. 4 приведены совместные графики изменения вели- чин деформаций сечения выработки и удельной энергии необра- тимых деформаций во времени. Видно, что деформации сечения выработки накапливаются с затуханием, что полностью отвечает данным натурных инструментальных наблюдений. В течение 100 суток площадь сечения уменьшилась на 60%, а к 900 суткам произошло практически полное уничтожение первоначального сечения выработки. Рис. 2. Приращение работы неупругих деформаций (Дж/с/м3) вокруг сечения выработки в момент де- формации ее сечения на 60 % Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 359 Рис. 3. Суммарное распределение энергии необратимого де- формирования пород (Дж/м3) При этом впервые установлено наличие максимума на кри- вой изменения удельной энергии необратимых деформаций во- круг подготовительной выработки. Видно, что на необратимые деформации вмещающих пород расходуется максимум энергии горного давления. В данном случае его величина близка к 50 МДж/м3. Однако после того как вокруг выработки зарождается зона разрушенных пород, удельная энергия необратимого разру- шения пород начинает уменьшаться. При этом, начиная с момен- та, когда сечение выработки уменьшилось на 60 %; график энер- гии принимает пилообразную форму. Удельный расход энергии деформаций периодически увеличивается и уменьшается. Это яв- ляется явным следствием эффекта самозаклинивания разрушен- ных пород вокруг подготовительной выработки. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 360 Рис. 4. Изменение величины деформаций площади сечения выработки и удельной энергии необратимых дефор- маций во времени В момент, когда сечение выработки уменьшилось на 75 %, наступает минимум расходования удельной энергии сил горного давления. Однако при дальнейшем уменьшении сечения энергия опять возрастает. Это объясняется уменьшением степени свобо- ды (то есть возможности смещаться разрушенным породам в по- лость выработки). Полученные результаты позволяют модифицировать спосо- бы охраны и поддержания выработок в сложных горно- геологических и горнотехнических условиях эксплуатации. В ча- стности выделены периоды эксплуатации выработки, в течение которых расходуются максимальные и минимальные количества удельной энергии деформации вмещающих пород. Учет этих особенностей позволяет рационально выбрать пассивные и ак- тивные мероприятия по повышению устойчивости выработки. Дальнейшими исследованиями планируется разработка спо- собов повышения устойчивости выработки, учитывающих теку- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010 361 щий уровень удельной энергии необратимых деформаций пород вокруг поддерживаемой выработки. СПИСОК ССЫЛОК 1. Глушко В.Е., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. М.: Недра, 1982, 192 с. 2. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1975, 223 с. 3. Дрибан В.А. Новый подход к оценке устойчивости горных выработок // Проблеми гірського тиску. Донецьк. ДонНТУ. № 15, 2007. С. 104-119. 4. Зборщик М.П., Назимко В.В. Охрана выработок глубоких шахт в зонах разгрузки. К.: Тэхника, 1991, 248 с. 5. Заславский Ю.З., Зорин Л.Н., Черняк И.Л. Расчет параметров крепи выработок глубоких шахт. – К.: Техніка, 1972, 156 с. 6. Сажнев В.П., Лаптеев А.А., Александров С.Н., Назимко В.В. Численное моделирование увеличения несущей способности вмещающих выработку пород за счет эффекта их саморас- клинивания // Известия Донецкого горного института. – 1996 – № 4. – С. 15-29. 7. Касьян Н.Н. Метод оценки характера деформационных про- цессов в массиве пород вокруг выработок // Известия Донец- кого горного института.– № 1(5).– 1997.– С.93–96. 8. Бокий Б.В., Александров С.Н. Назимко И.В. Кластерный ме- ханизм динамики сдвижения подрабатываемого движущейся лавой массива горных пород // Матеріали міжнародної конференції "Форум гірників". 2007. С. 49 – 55.

Исследование динамики работы сил горного давления на необратимое деформирование пород вокруг подготовительной выработки

Institution

Ähnliche Einträge