А Н Шашенко, А В Солодянкин - Проблемы горного дела и экологии горного производства - страница 1

Страницы:
1  2 

Министерство образования и науки Украины Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля Антрацитовский факультет горного дела и транспорта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОБЛЕМЫ ГОРНОГО ДЕЛА И ЭКОЛОГИИ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

 

 

 

 

 

 

Материалы IVМеждународной научно-практической конференции 14-15 мая 2009 г., Антрацит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Норд-Пресс Донецк-2009

УДК 622.831.3:622.112.3

 

А.Н. Шашенко, А.В. Солодянкин

 

К ВОПРОСУ О МАКСИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЕ РАДИУСА ЗОНЫ НЕ­УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ

 

Введение. Добыча полезных ископаемых неразрывно связана с увеличени­ем глубины разработки. При этом существенно увеличивается горное давление, изменяются свойства породной среды, растет геологическая нарушенность месторождений. Ведение горных работ вызывает перераспределение начального поля напряжений, приводит к разрушению массива пород, изменению его пространственной структуры. Все чаще эти процессы носят катастрофический характер, сопровождаются человеческими и материальными потерями.

Наиболее тяжелые последствия проявлений повышенного горного давления в выработках глубоких шахт обусловлены большими деформациями породного массива. При определенных условиях они могут реализовываться чрезвычайно быстро, в динамической форме - горные удары, внезапные выбросы угля, пород и газа. Другие протекают относительно медленно, например, деформация и разру­шение крепи, пучение пород почвы, и рассматриваются как статические процессы.

В качестве наиболее характерного проявления больших деформаций при-контурного массива на глубоких горизонтах шахт может быть рассмотрено пуче­ние пород почвы. Несмотря на многочисленные исследования, пучение пород почвы является и сегодня недостаточно изученным явлением. Именно поэтому в техническом плане добиться ощутимых положительных результатов до сих пор не удалось. Одной из причин такой ситуации является то, что предложенные матема­тические и физические модели явления не полностью отражают реальный процесс. Особенно очевидным это стало с переходом горных работ на большие глубины.

Постановка задачи. В настоящее время известен целый ряд гипотез, по-разному объясняющих причину и механизм пучения пород почвы. Связывают это явление с набуханием пород под влиянием влаги, выпиранием пород под дей­ствием опорного давления в боках выработки, сорбционным набуханием газона­сыщенных пористых сред, увеличением объема вследствие разрыхления пород в зоне неупругих деформаций (ЗНД) и т.д.

Рассматривая условия, которые приводят к образованию вокруг выработки больших зон неупругих деформаций, в работах А.Н. Шашенко пучение пород почвы рассмотрено с позиций потери упругопластической устойчивости прикон-турного массива и предложена бифуркационная модель пучения (рис. 1). В ре­зультате им получен критерий вспучивания, имеющий вид:

Еуг?Ы2 r* + 2 = 0, (1)

где ev - среднее значение относительного увеличения объема в пределах ЗНД; rL

- относительный критический радиус области пластических деформаций.

Выражение (1) определяет возможность перехода породного массива вокругвыработки из одного устойчивого равновесного состояния в другое, сопровожда­ющееся вспучиванием пород почвы. Физическая суть отношения (1) состоит в следующем. В процессе неупругого расширения пород в замкнутом объеме с жесткими внешними размерами (r = rL) происходит перемещение внутреннего контура (r = 1). До тех пор, пока эти перемещения не достигнут некоторой крити­ческой величины, внутренний контур сохраняет первоначальную форму. При до­стижении же критических значений перемещений происходит резкое искажение формы внутренней границы, сопровождающееся уменьшением уровня потенци­альной энергии в приконтурной зоне и большими перемещениями на контуре вы­работки. В случае если левая часть выражения (1) меньше нуля, то в выработке произойдет вспучивание пород почвы.

КуН                                                                               , (К+ЛК)уН

\ Ї f f г

а)

■   |   И   (   М   II______________ }   і   I   М   і                                                      L

t t t

б) !

Рис. 1. Расчетная схема к решению задачи о потере упругопластического равновесия приконтурного массива: а - исходное состояние системы (rL < rL ); б - возмущенное состояние (rL > rL );

Важной характеристикой бифуркационной модели является то, что пучение здесь рассматривается как результат общего деформационного процесса вокруг вы­работки, приводящего к формированию ЗНД, а потеря устойчивости приконтурного массива в виде пучения - как наиболее вероятная реализация этого процесса при до­стижении критических размеров ЗНД.

Функция связи между величинами, входящими в условие (1), в явном виде

аппроксимируется относительно rL* с высокой точностью в пределах реальных значений выражением:

rL = 1+ (2) Являясь хорошо обоснованным с точки зрения механизма протекания про­цесса, предложенный критерий не совсем удобен, поскольку определить размеры ЗНД в шахтных условиях практически невозможно. Более удобным показателем для оценки состояния выработки является смещение породного контура, которое легко можно измерить в натурных условиях.

Целью настоящих исследований является обоснование критического зна­чения смещений контура выработки и , как показателя потери упругопластиче-ской устойчивости массива и определение максимальных размеров ЗНД вокруг одиночной выработки.

Определение перемещений контура выработки с учетом объемного расширения пород в зоне неупругих деформаций.

Исследование величины смещений контура выработки при условии, когда Хф 1 выполнено на основе решения задачи А.Н. Шашенко [1], согласно которому координаты области неупругих деформаций представляют собой эллипс (рис. 2):



 

 

где

 

C з

 

 

 

 

Сз

 

exp


A

2B 4Bk


(з)

выражением коэффициент критерия

прочности, определяемый выражением


к = 0,5д/ RcV+(1 -y)Rc (<Т1 +(7з)

r

к

ост

A

(1 - кост); B

константы:

2

1 - r;

L

1 - r;

у/ = Rp /Rc - коэффициент хрупкости

' L                                -1     ' L

пород, Rр, Rc - соответственно пределы прочности образцов горных пород на од­ноосное растяжение и сжатие (0 <y/< 1); кост = Rocm / Rc - коэффициент остаточной прочности; Rocm - остаточная прочность пород на одноосное сжатие на контуре выработки, Р0 - несущая способность (отпор) крепи.

\___ І__ І__ І__ *__ І__ І__ І__ і<

Рассмотрим относительные верти­кальные смещения контура выработки в почве (вдоль оси Y) - Uy. Координата Y внешнего контура ЗНД из выражения (3) при Х = 0 будет равна:

Y = C3 (1 -b). (4)

В соответствии с расчетной схемой (см. рис. 2), смещения контура выработки являются результатом объемного расши­рения пород Јv в ЗНД: Uy = Ry - Roy) Јv . Соотнося все величины к радиусу выра­ботки R0y, можно записать: uy = (rLy - 1)ev.

Принимая в соответствии с выражением (4) rLy = Y, запишем:

Uy =(Сз (1 -b)- 1k . (5) Пренебрегая отпором крепи Р0 и остаточной прочностью пород Rocm, при условии (о1 +(уз ) = 2gH, получим выражение для определения смещений контура выработки в зависимости от объемного расширения пород в ЗНД:

Uy =


L


exp


2N,B J[    N,B ) j


v


(6)где Ne=Oy +

2(1 - y)

q '

Однако предметом настоящих исследований являются такие смещения контура, которые приводят к неуправляемому процессу пучения, существенно влияя на техно­логические процессы в выработке.

rL

iev

Многими исследователями, занимавшимися проблемами пуче­ния пород почвы выработок (Ю.З. Заславский, В.Т. Глушко, Зо­рин А.Н., Черняк И.Л., Шеста-ков Г.П. и др.), а также в ряде от­раслевых документов принималась допустимая (критическая) величи­на смещений пород, не приводящая к тяжелым последствиям (или опасная, вызывающая определен­ные проблемы и большие затраты на поддержание выработок). Анализ различных источников показал, что такой величиной может быть отно­шение смещений контура к радиусу выработки u = U/R0 = 0,1.

На рис. 3, график 2 показана зависимость между относительным увеличением объема и радиусом ЗНД, при вели­чине принятых к рассмотрению относительных смещений.

Аппроксимирующая зависимость, приводящая решение (6) для и к базо­вому решению для критического радиуса ЗНД rL (ф. 2, рис. 3, график 1) имеет вид:

f (ev)


/ \3,33

'3,48л


(7)

В окончательном виде зависимость критических смещений, соответствующая базовому решению (2) для критического радиуса ЗНД имеет вид (рис. 3, график 3):

u


 

 

У


V

Г ( exp

L


(1+1))

2NqB

/ \3,33

'3,48л


(1-1) 1


1

1

I


 

 

(8)

На рис. 4 показаны зависимости критических смещений контура выработки от показателя условий разработки и коэффициента бокового распора.

О максимальной величине радиуса зоны неупругих деформаций.

Рассматриваемая бифуркационная модель пучения, как форма потери упру-гопластического равновесия породного массива, предполагает образование вокруг выработки зоны неупругих деформаций значительных размеров. При этом, учи­тывая, что степень нарушенности пород вокруг выработки зависит от сложностигеомеханических условий, как совокупности ряда геологических и горнотехниче­ских факторов, представляет интерес вопрос о максимально возможной величине радиуса ЗНД.

0,3

е

Рис. 4. Зависимость критической величины смеще­ний контура выработки, от показателя условий раз­работки в и коэффициента бокового распора X

Формирование ЗНД, как отмечается исследова­телями, происходит по всему контуру выработки. Ее размеры зависят в ос­новном от прочностных свойств слагающих пород, глубины расположения и размеров поперечного се­чения выработки. Форма ЗНД определяется соотно­шением вертикальных и горизонтальных напряже­ний массива пород, анизо­тропией пород, угла накло­на пластов пород слагаю­щих геологическую толщу массива. Обычно ЗНД имеет неправильную форму, близкую к окружности или эллипсу с большим радиусом, направленным в сторону менее слабых пород и перпендикулярно наластованию. Степень нарушенности пород в пределах ЗНД максимальна на контуре выработки и уменьшается вглубь массива. Логичным было бы предположить, что в условиях незначительного отпора крепи (что наблюдается довольно часто в практике эксплуатации выработок), приконтурный массив мог бы беспрепятственно разрыхляясь, и смещаясь внутрь выработки за­полнить ее полностью. При этом степень разрыхления и размеры ЗНД принимали бы максимальные значения.

Ряд аналитических исследований дают именно такие результаты. Как отме­чает Ю.М. Либерман, при Р — 0 радиус ЗНД и смещение контура стремятся к бесконечности. Он объясняет это тем, что незакрепленная выработка не может находиться в нормальном состоянии, так как при малой реакции крепи в кровле возникнут обширные вывалы породы. По мнению В.В. Виноградова [2], причина потери устойчивости при Р — 0 не в природе взаимодействия системы «крепь-массив», а в формальности принятых Ю.М. Либерманом соотношений, описыва­ющих разупрочнение массива вблизи выработки. А. Лабасс подчеркивает, что размер ЗНД должен определяться на основе шахтных исследований [3]. Однако, выполнение таких исследований представляет большие сложности, а результаты не могут быть оценены однозначно.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Н Шашенко, А В Солодянкин - 80 лет кафедре строительства и геомеханики национального горного университета

А Н Шашенко, А В Солодянкин - Проблемы горного дела и экологии горного производства