Разработка метода расчета целиков с учетом опасности горных ударов

Интенсивное развитие горнодобыващей промышленности ведет к увеличению глубины разработок на действующих шахтах и рудниках, что создает, в свою очередь, условия для динамических проявлений горного давления (горных ударов). Горный удар — один из наиболее опасных проявлений горного давления, характеризующийся нередко большой разрушительной силой. Как показывает практика [ 32,33,74^], наибольшую опасность с точки зрения горных ударов представляют целики. Поэтому предупреждение горных ударов в целиках представляет актуальную и важную проблему горной науки и практики. Рассмотрение теоретических и прикладных аспектов этой проблемы составляет предмет данной работы, конечная цель которой состоит в разработке метода расчета целиков с учетом опасности горных ударов.

Достижение поставленной цели осуществлялось применением комплекса современных методов исследований, включающих: анализ и обобщение данных шахтных и лабораторных наблюдений, аналитические методы механики сплошной среды, методов теории нелинейного программирования и вычислительной математики. Результаты исследований сопоставлены с известными аналитическими решениями, данными натурных наблюдений.

Основная идея работы заключается в том, что для обеспечения безопасности горных работ и снижения потерь полезных ископаемых используется возможность устойчивого (без динамических эффектов) деформирования целиков за максимумом несущей способности.

Научные положения, выносимые на защиту: деформирование целика за пределом прочности возможно лишь при обеспечении режима заданных деформацийj в зависимости от режима деформирования целика при его расчета необходимо использовать один из следующих трех методов: метод допускаемых нагрузок, метод допускаемых жесткос-тей, метод допускаемых смещенийиспользование численных методов механики сплошных сред позволило расширить круг рассматриваемых задач.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем: в расчетной схеме учитывается полная диаграмма деформирования целика, математическое описание которой дано в терминах инкрементальных соотношенийна полной диаграмме выделены три характерных участка и указаны соответствующие методы расчета целикапри оценке устойчивости систем целиков в зависимости от характера рассматриваемой задачи привлекаются различные критерии устойчивости, неэквивалентные между собойпри определении нагрузок на целики учитываются неупругие деформации и сложные конфигурации выработок и целиков в плане.

Лично автором: предложено использовать различные методы расчета целика в зависимости от режима его деформированияпроведен анализ известных критериев устойчивости и неустойчивости систем целиков и установлены условия их эквивалентностиуказаны способы оценки интенсивности горного удара в целике-исследовано влияние наиболее важных горно-технических факторов на прочность и устойчивость целиковпроведен анализ типовых схем, результаты расчетов для которых обобщены в форме номограмм и таблицразработаны рекомендации по практическому использованию результатов теоретического анализа.

Достоверность научных положений, изложенных в диссертации, обеспечивается использованием строгих методов механики горных пород, привлечением фактических данных о поведении целиков при их описании, применением накопленного положительного опыта в постановке и решении задач о расчете нагрузок на целики и их смещений, обоснованием принимаемых упрощений результатами оценки точности математического алгоритма, согласием результатов расчетов с данными практики и натурных наблюдений.

Исследованиям по горным ударам в нашей стране уделяется большое внимание. Так, в рамках Госкомитета СССР по науке и технике приняты ряд постановлений (от 3 марта 1975 г. J6 56 и от 2 апреля 1981 г, $ 86), в которых указаны основные направления исследований по горным ударам [28]. По этим направлениям ИФ и МГП АН Киргизской ССР проводятся исследования удароопасности на месторождениях Средней Азии и Юго-Босточного Казахстана. В рамках этих работ и проводились исследования, представленные в данной диссертации, содержание которой соответствует тематическому плану ИФ и МГП АН Киргизской ССР на I981−1985 гг.: Установление основных закономерностей формирования напряженного состояния массивов пород и определение условий возникновения динамических форм горного давления 8I0934I5.

Основные результаты, представленные в работе, составной частью вошли в следующие нормативные и регламентирующие документы, разработанные при участии автора: Методические указания по использованию программ для расчета и графического построения напряжений в массиве горных пород около выработок /ВНИМИ, — Л., I98I.-35 е.- Методические указания по расчету напряжений и экспериментальной оценке газодинамического состояния угля в зонах НГД ВНИМИ. — Л., 1983. — 23с.: Рекомендации по расчету целиков с учетом опасности горных ударов / ВНИМИ. — Л., 1983. — 27 с.: Рекомендации по выбору оптимального параметра стыковочного целика и разгрузочной щели для условий Кировского рудника ПО «Апатит» / Приложение III /.

Диссертационная работа выполнялась в Институте физики и механики горных пород АН Киргизской ССР и во Всесоюзном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела / ВНИМИ / в составе отделов горных ударов в период с 1980 по 1984гг.

Автор выражает искреннюю признательность д.ф.-м.н. А.М.Линь-кову и к.т.н. И. Т. Айтматову за постановку задачи и помощь в проведении исследований, к.т.н. В. С. Сидорову, профессорам И.М.Пету-хову и Г. Л. Фисенко за полезные советы, высказанные в ходе обсуждения работы.

Выводы.

1. Для проведения расчетов с использованием разработанных программ на ЭВМ, таблиц и номограмм (для типовых схем) необходимо иметь следующую информацию: планы горных работ и предполагаемые варианты их развитияпараметры Н } Язе л Я у характеризующие исходное напряженное состояние массива породзначения эффективных модуля упругости Еп и коэффициента Пуассона^п вмещающих пород, а также углы давления я., $ъ пород кровли и почвыданные о свойствах материала Sc, Е s Ms S1*, о контактных условиях и о свойствах целика Р* как объекта.

2. Расчет для конкретной горно-технической ситуации, согласно разработанному методу, может осуществляться либо с использованием разработанных программ на ЭВМ, либо с использованием таблиц и номограмм (для типовых схем).

3. Использование любого из указанных способов позволяет определить расчетные параметры Р л С л яГ состояния равновесия. Они, наряду с исходными данными Pm, NJ, яГт, тГ* применяются при анализе режима работы и удароопасности целикоЕ. Подобный анализ осуществляется согласно таблице 6.1 для начальной, конечной и промежуточной стадий развития горных работ.

4. Схемы, для которых анализ приводит к заключению об опасности горного удара, могут пересматриваться в направлении корректировки исходных данных в сторону снижения опасности. Это достигается путем управления отношениями fin /Р в c/tf, гГ/Л и отражается расчетом путем последовательных приближений к оптимальному варианту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В диссертации на основе обобщения практического опыта данных натурных наблюдений и теоретических исследований дано новое решение задачи и расчете целиков с учетом опасности горных ударов. Актуальность данной задачи определяется потребностями практики в обеспечении безопасности горных работ и снижении потерь полезных ископаемых.

Анализ существующих подходов к расчету целиков с учетом опасности горных ударов показал, что общая проблематика разделяется на решение двух, в известной мере, самостоятельных задач. Во-первых, выделения задачи определения параметров, отвечающих деформированию целика до максимума несущей способности. Во-вторых, проведению оценки потенциальной удароопасности месторождения. Теоретические и прикладные аспекты методов решения указанных задач изучены в разной степени, причем основное внимание уделялось разработке методов решения первой задачи. Вместе с тем, к началу выполнения данной работы уже имелись определенные предпосылки прикладного и теоретического характера, согласно которым достаточно сложная исходная задача была разделена на изучение следующих трех вопросов: изучение характеристик разрушаемой областиизучение характеристик вмещающих породнахождение параметров, отвечающих критическому состоянию.

2. Математическое описание поведения целиков осуществлено с привлечением соотношений как деформа ционного так и инкрементального типов. Последние позволяют учитывать возможность как активного деформирования целика, так и разгрузки.

Поведение вмещающих пород описывается соотношениями (2.32), (2.34). Объединением последних с соотношениями для целиков получены уравнения для системы «вмещающие породы — целики» (2.36), (2.37), решение которых осуществляется с использованием ЭВМ по разработанным программам.

Проведено исследование устойчивости систем целиков. Анализ имеющихся результатов показал, что теоретические аспекты этого вопроса хорошо разбиты, чтобы использовать их применительно к изучению вопроса об устойчивости системы целиков. При наиболее общем инкрементальном описании поведения целиков оценка устойчивости сводится к исследованию матрицы (И — ri V) в системе (2.41) на строгую копозитивность. В рамках концепции продолжающегося активного разупрочнения целиков оценка устойчивости состоит в проверке матрицы С z>~? + & J в системе (2.43) на положительную определенность. Критерий локальной жесткости (3.1), вопреки распространенному в литературе мнению, в общем случае не обеспечивает ни необходимого ни достаточного условия устойчивости. В типичных для практики случаях, когда на падающем участке (в режиме активного разупрочнения) деформируется лишь один из целиков из системы, упомянутые условий устойчивости эквивалентны друг другу. Это обстоятельство важно для практики, поскольку позволяет ориентироваться на достаточно наглядный критерий локальной жесткости. Получены формулы, позволяющие оценивать интенсивность горного удара в целики в случае потери устойчивоети.

На основе модификации известных ГИУ предложен метод расчета нагрузок на целики, и разработана программа на ЭВМ серии ЕС. Зти программы позволяют оперативно оценивать состояние горнотехнической ситуации при исходных значениях ее параметров, а тк также в процессе изменения некоторых геометрических параметров, обуславливаемого развитием горных работ. Надежность получаемых при использовании программ результатов обеспечивается тщательным контролем точности математического алгоритма и хорошим согласованием результатов расчета с данными горной практики и натурных наблюдений.

3. В результате исследований известный метод был дополнен двумя новыми, которые в совокупности охватывают все реализуемые на практике режимы деформирования целика, включая и запредельное деформирование и содержат контроль устойчивости.

С использованием разработанного метода проведено исследование влияния наиболее важных горно-тектонических факторов на прочность и устойчивость целиков. Этот анализ позволил выявить следующие два факта, проявляющихся для типичных ситуаций, как правило. Во-первых, локальная жесткость вмещающих пород в местах расположения целиков изменяется незначительно при изменении геометрических параметров и в «среднем» может рассматриваться как величина постоянная. В таких ситуациях критерий устойчивости может быть сформулирован в терминах параметров только разрушаемой области (целика), что важно для практики, поскольку тем самым предопределяется возможность потенциального прогноза удароопасности. Во-вторых, переход целика от предельного состояния на остаточную несущую способность происходит б узком диапазоне изменения геометрических параметров. Это положение свидетельствует о том, что нарастание удароопасности происходит весьма резко и также резко ликвидируется опасность в случае обеспечения условию устойчивости. Указанные закономерности систематически наблюдаются также на практике и нашли отражение в соответствующих «Инструкциях.», что обеспечивает качественное согласие результатов расчета с данными практики и, следовательно, свидетельствуют о надежности метода.

4. Для снижения потерь полезных ископаемых в работе рекомендовано использовать целики, работающие за пределом прочности. Безопасность горных работ при этом обеспечивается путем контроля устойчивости. Указаны мероприятия, позволяющие ликвидировать или снизить опасность горных ударов в целиках и проведена их качественная оценка. Обоснована возможность потенциального прогноза удароопасности и установлена область его применения.

5. Разработанный метод может быть использован при оценке удароопасности целиков рудных и нерудных месторождений на стадии проектирования, а также в ходе их эксплуатации. Основные результаты и выводы диссертационной работы были использованы в ряде нормативных документов (методических указаний, рекомендаций) и нашли практическое применение на Кировском руднике ПО «Апатит» .

По мере углубления горных работ возрастает необходимость более полного использования несущей способности целика. Поэтому предложенный в работе метод имеет пщрокие перспективы.

Таков итог проведенных исследований. Они выполнены в соответствии со сформулированными в рамках работы задачами и полностью охватывают их. Касаясь актуальных задач дальнейших исследований рассматриваемой проблематики, необходимо отметить, что они должны быть направлены, с одной стороны, на изучение аналитических и вычислительных аспектов, с тем, чтобы учесть влияние слоистости и неоднородности вмещающих пород, а такле расширить круг рассматриваемых схем, с другой — на экспериментальное изучение характеристик целиков, в том числе и в натурных условиях.