Сближенными выработками считаются такие выработки, которые оказывают взаимное влияние друг на друга и вносят существенные изменения в напряженное состояние окружающего их массива горных пород, особенно в целиках, расположенных между ними.
Ширина зоны повышенных напряжений пропорциональна размеру выработки.
Распределение напряжений вокруг сближенных выработок в упругих породах (по Д.Н. Шерману)
Максимальные концентрации напряжений приходится на целик, что может быть причиной его деформаций, а в крепких горных породах на большой глубине – горному удару.
Понятие об опорном давлении
1,2 – кривые опорного давления
1 – до разрушения пород на контуре
2- поле разрушения
- пролет выработки
- зона распространения опорного давления
- максимальное опорное давление
- коэффициент концентрации опорного давления.
По характеру напряженного состояния выделяют зону разгрузки и зоны опорного давления. В зоне разгрузки величины напряжений меньше, чем существовавшие до проведения очистной выработки, а в зоне опорного давления – выше.
При разработке рудных залежей, залегающих в труднообрушающихся породах, могут формироваться после выпуска руды большие по объему ничем не заполненные выработанные пространства. При этом на междукамерные целики и краевые части формируются большие опорные нагрузки, вызывающие их постепенное раздавливание, вследствие чего создаются условия внезапных массовых обрушений на больших площадях, сопровождающиеся воздушными ударами, техногенными землетрясениями, горными ударами, выходом провалов на земную поверхность и т.п.
Наиболее существенные изменения состояния массива горных пород происходят в процессе очистной выемки полезного ископаемого. При подработке вышележащих пород на прилегающий к выработанному пространству массив создается опорное давление, величина которого быть значительно больше уН. Зона максимального опорного давления начинается сразу за зоной пластических деформаций, затем постепенно снижается и по мере удаления от выработанного пространства достигает первоначальных значений yH . При слабых и сильно трещиноватых породах зона пластических деформаций бывает больше, чем при крепких.
Контрольные вопросы:
1. Какие силы формируют напряженное состояние массива пород?
2. Объясните физический смысл горизонтальной составляющей напряжений.
3. Как определить напряжения в нетронутом массиве?
4. Объясните распределение напряжений вокруг выработки круглого поперечного сечения.
5. Что такое опорное давление?
Модуль 3. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород
Раздел 7. Геомеханические процессы вокруг выработок и подземных сооружений
Тема 10. Методы определения напряжений и деформаций вокруг выработок
ЛЕКЦИЯ № 16
План лекции
1. Методы испытания массива в подземных выработках и определения напряжений.
2. Оценка несущей способности грунтов.
Схемы испытаний при других видах нагружения
1. Объемное сжатие (трехосное)
2. Двухосное напряженное сжатие (плоское)
3. Срез со сжатием
Расчетные методы определения упругих свойств пород.
Базируются на основе геологоразведочных данных. Используются на стадии проектирования и носят ориентировочный характер
- геометрическая характеристика трещин
Е, m - показатели, полученные в лабораторных условиях
- модуль упругости поперек и по напластованию (показатели, полученные расчетным методом для натурных условий)
- коэффициент Пуассона в натурных условиях
- ширина трещины
- длина трещины
- угол падения трещины
- удельная величина скальных контактов (» 
)
- индекс трещины
Скальные контакты между элементарными блоками
1) Сплошной
1,2 – элементарные блоки
2) Участковый
Испытание грунтов
В отличие от скальных пород грунты могут сопротивляться только сжатию и сдвигу
1) На срез со сжатием
1,2 – разъемная стальная матрица
3 – роликовая опора
4 – плита пресса
5 – фиксирующее устройство
6 – диск
7 – грунт
8 – линия среза
Р – сжимающее усилие
F – сдвигающее усилие
Ход испытаний
Опыты: 1-й: P1=0; F=F1
d1=0; 
2-й: P=P2; F=F2
; 
n-й: P=Pn; F=Fn
; 
Графическое представление результатов
Паспорт прочности грунта
с и j – основные характеристики грунтов
с – сила удельного сцепления
j - угол внутреннего трения
Для рыхлого песка j»углу естественного откоса.
Испытания в условиях объемного сжатия.
1 – матрица
2 – грунт
3 – диск
h – высота столба грунта
Dh – деформация
Р – сжимающая нагрузка
– предельная относительная деформация
– определяет компрессионные свойства грунта, т.е. его уплотняемость под нагрузкой
Сухой сыпучий грунт e до 
Мокрый песок e до 
Бетон e до 
Оценка несущей способности грунтов
В практике инженерно-геологических испытаний для определения свойств грунтов получили распространение методы плоскостного сдвига или раздавливания целика с использованием сдвижной установки, метод вращательного среза, методы пенетрации и зондирования.
Для определения деформационных свойств грунта применяются поверхностные или глубинные штамповые методы с использованием статической нагрузки и прессиометрические методы.
Метод плоскостного сдвига или раздавливания целика грунта с использованием сдвижной установки аналогичен по своей методике шахтным опытам на породных призмах. При этом режим испытаний относится к неконсолидированно-недрениро-ванному, так как вследствие относительно больших размеров целиков консолидация в процессе испытаний не достигается. При методе вращательного среза, называемого еще лопастным или методом испытаний на срез крыльчаткой, определяют свойства грунтов, залегающих ниже забоя буровой скважины или выработки, без приложения дополнительной вертикальной при-грузки. Сущность данного метода заключается в срезе некоторого объема грунта по поверхности цилиндра путем поворота пластинчатого (крестообразного) наконечника, внедряемого в массив поступательным движением.
Основными элементами установки для вращательного среза (рис.) являются рабочий наконечник 1, соединительные штанги 2 и блок управления 3. Рабочий наконечник (крыльчатка) состоит из нескольких тонких пластин (лопастей), жестко укрепленных на тонком стержне. Блок управления включает приводное устройство, с помощью которого производится поворот штанг с определенной скоростью, и измерительное устройство, определяющее крутящий момент М и угол поворота верхнего конца штанг а при повороте крыльчатки. В результате исследований строится графикМ(а), выражающий м.чмененке крутящего момента крыльчатки от угла ее поворота. Возрастающая ветвь этой зависимости аналогична зависимостям, получаемым при исследовании сжимаемости грунта другими методами, и используется для оценки деформационных свойств грунта.
Метод вращательного среза (Лопастной метод)
Определяет свойства грунтов, залегающих ниже забоя буровой скважины или выработки при приложении дополнительной вертикальной нагрузки
1 – рабочий наконечник
2 – соединительные штанги
3 – блок управления
Измеряют крутящий момент (М) и угол поворота верхнего конца штанги (a).
Строят график 
.
Используется для оценки деформационных свойств грунта.
Сопротивляемость грунта сдвигу 
где 
– постоянная величина, зависящая от формы и размеров наконечника.
При прямоугольных лопастях шириной и высотой h
– коэффициент, зависящий от глубины внедрения наконечника 
при 
при 
Метод зондирования
– статическое – путем выдавливания
– динамическое – с забиванием наконечника в грунт
Метод штанговых испытаний
Для определения модуля деформации грунта.
Проводится в шурфах и скважинах
Убывающая ветвь характеризует силы реакции грунта при его разрушении, что обусловливает возможность оценки его прочностных свойств.
Для определения модуля деформаций используется начальная часть диаграммы, близкая к линейной зависимости.
Контрольные вопросы:
1. Как масштабный эффект влияет на результаты испытаний?
2. Во сколько раз размеры нагружаемого массива должны быть больше характерных размеров его неоднородностей?
3. Для чего необходимо знать свойства грунтов?
4. Какие методы используются для определения деформационных свойств грунта?
5. В чем заключается сущность метода плоскостного сдвига?
Модуль 3. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород
Раздел 8. Моделирование геомеханических процессов в массиве горных пород
Тема 11. Моделирование геомеханических процессов
ЛЕКЦИЯ № 17
План лекции
3. Моделирование геомеханических процессов.
4. Методы моделирования.
Одним из методов исследования сложноструктурных объектов в геомеханике является моделирование в лабораторных условиях различных физических процессов горного производства. Цель моделирования заключается в воспроизведении и изучении на модели физического процесса, подобного происходящему в натурных условиях. Метод моделирования позволяет на уменьшенных или увеличенных по отношению к действительности моделях проводить качественные и количественные детальные исследования изучаемого процесса.
Методы моделирования достаточно широко используются в различных областях современного естествознания и техники. Применительно к геомеханике эти методы позволяют выяснить основные качественные элементы процессов деформирования и разрушения горных пород мри ведении очистных и подготовительных работ, являясь необходимым этапом при разработке новых гипотез и теорий, а также проверки решений, полученных аналитическими методами.
В геомеханике, изучающей, как правило, объекты весьма больших размеров, применяют моделирование, связанное с уменьшением абсолютных размеров объектов.
По принципам, на которых оно основано, различают моделирование двух видов: физическое и аналоговое.
Первое рассматривает воссоздание в модели тех же самых физических полей, которые действуют и в объекте натуры, измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с принятым масштабом моделирования. Аналоговое моделирование предусматривает замену в модели одних физических полей другими, например замену натурного поля механических напряжений электрическим полем в модели. При этом на моделях изучают закономерности явлений и процессов, протекающих в натурных объектах, используя математическую аналогию различных по физической природе процессов, т. е. математическую тождественность основных законов, описывающих эти процессы.
Массив горных пород является весьма сложной средой, в которой при ведении горных работ одновременно происходят процессы деформирования различного характера: упругие, упругопластические смещения и разрушение пород с разрывом сплошности. Поэтому аналитические расчеты деформирования горных пород, прочности и устойчивости горных выработок и различных сооружений в породных массивах часто представляют собой трудно-решаемые задачи. Натурные исследования отличаются значительной трудоемкостью, высокой стоимостью, требуют довольно длительного периода времени. Кроме того, в натурных условиях обычно весьма ограничены возможности варьирования параметрами системы, технологией и последовательностью ведения горных работ, тогда как при моделировании можно проследить влияние основных параметров в самых широких пределах. Таким образом, моделирование открывает такие возможности изучения геомеханических процессов, которые не дают ни аналитические методы, ни наблюдения и измерения в натурных условиях.
Обычно при решении задач геомеханики методами моделирования испытанию подвергают серию моделей различных масштабов, используя при этом наиболее эффективный для решения конкретной задачи метод. Например, сначала на моделях мелкого масштаба изучают общие закономерности процессов в пределах всего участка массива, подверженного влиянию выработки, а затем на моделях более крупного масштаба детально изучают закономерности процессов в некоторой области массива, в частности, процессов взаимодействия пород с крепью выработки. При этом в модели крупного масштаба воспроизводится лишь некоторая часть массива, а действие всей остальной части компенсируется с помощью при-грузки, осуществляемой нагрузочными приспособлениями рычажного, пружинного или гидравлического типа.
Первые попытки моделирования проявлений горного давления были осуществлены в 1885 г. М. Файолем, который рассматривал слоистые горные породы как ряд несвязанных между собой породных слоев и изучал деформации изгиба горных пород на простейших моделях, состоящих из пачки полос, опирающейся на две опоры. Опыты, проделанные с различными материалами (железо, куски плоских рудничных канатов, глина, стекло, гипс и др.), показали затухание прогиба слоев снизу вверх, что послужило поводом для создания гипотезы свода давления.
К методам наблюдений на простых моделях относятся также опыты А. Леона, Ф. Вильгейма, Ф. Левинсона-Лессинга, М.М. Протодьяконова, Г. Шпаккелера, Ф.А. Белаенко и др. На сегодняшний день, учитывая сложность геомеханических процессов, происходящих в толще пород при проведении выработки, методы моделирования продолжают оставаться необходимым звеном исследований. Наиболее удобным для исследования проявлений горного давления является метод моделирования на эквивалентных материалах, предложенный Г.Н. Кузнецовым в 1936 г. Механическому подобию удовлетворяет также метод центробежного моделирования, разработанный и практически развитый Г.И. Покровским.
Моделирование геомеханических процессов.
Эксперименты на моделях имеют научное и практическое значение лишь в том случае, если отражают физическую сущность и условия развития геомеханических процессов. Для этого необходимо обеспечение выполнения следующих условий:
– воспроизведение в модели главных факторов, определяющих протекание изучаемых процессов и их показателей;
– определение сочетания типов, масштабов и количества моделей, обеспечивающего получение статистически представительных данных;
– соответствие граничных условий на внешних сторонах моделей условиям работы исследуемой части массива в натурных условиях;
– соответствие физико-механических характеристик материалов модели соответствующим характеристикам моделируемого массива;
– соответствие структуры и строения массива и модели;
– соответствие условий залегания пласта или рудной залежи по мощности и углу падения, глубине ведения горных работ;
– воспроизведение исходных полей напряжений;
– воспроизведений технологических процессов разработки пластов или залежей, зон опорного давления и разгрузки и т.д.
Метод эквивалентных материалов.
Моделирование методом ЭМ основано на замене естественных горных пород такими искусственными материалами, показатели физико-механических свойств которых находятся в определенных соотношениях с аналогичными показателями тех же свойств пород натуры. Эти соотношения определяются на основании общих положений теории механического подобия. МЭМ позволяет воспроизводить в модели различное строение толщи пород и полезного ископаемого и осуществлять в достаточном приближении к натуре производство всех основных горнотехнических операций по проведению и креплению выработок.
Обработка результатов исследований производится путем построения функциональных зависимостей изучаемых параметров от изменения горно-геологических и горнотехнических условий. Они представляются в виде относительных показателей, при этом полученные зависимости должны сопоставляться с результатами натурных исследований. Для построения прогнозных зависимостей серии опытов планируют так, чтобы максимально охватить все необходимые условия и получить надежные результаты, для этого используют современные научные методы планирования экспериментов, например метод латинских квадратов.
Моделирование на эквивалентных материалах позволяет с большой степенью детальности проследить механизм процессов в толще пород при движении забоя выработки, особенно процессов деформирования пород с разрывом сплошности, что обычно исключено при других методах моделирования. Вследствие этого метод эквивалентных материалов получил широкое применение при решении различных задач геомеханики.
Поляризационно-оптический метод.
Этот метод исследования напряжений позволяет изучать поля напряжений (деформаций) в плоских и объемных прозрачных материалах, подобных по форме и нагрузке исследуемым объектам путем просвечивания моделей поляризованным светом. Теоретическим обоснованием применения фотоупругих моделей из оптически чувствительных материалов для моделирования статических состояний и медленных процессов в горной геомеханике служат положения математической теории упругости и теории подобия.
Характерная картина распределения изолиний напряжений представлена на рисунке (Рис.2) .Вокруг выработок круглого сечения при гидростатическом распределении напряжений в нетронутом массиве имеют место только сжимающие напряжения одинаковой величины по всему периметру контура сечения.
Устойчивость обнажений при отсутствии крепи предопределяется соотношением прочностных показателей породы и величины напряжений в зоне аномалий.
|
|
Рис. 2. Изолинии напряжений вокруг прямоугольной выработки:
а – главных нормальных; б – максимальных; на изолиниях даны
значения коэффициента К
Метод центробежного моделирования
Метод заключается в замене гравитационных сил инерционными, создаваемыми в модели в результате ее вращения в каретке центрифуги. В принципе метод позволяет моделировать объемное напряженно-деформированное состояние (НДС) пород вокруг выработок как в упругой области, так и за ее пределами.
Модель объекта, выполненную в заданном геометрическом масштабе, помещают в центрифугу и путем равномерного вращения нагружают объемными инерционными силами, придавая тем самым породам модели некоторый фиктивный удельный вес. Это позволяет в ряде случаев для изготовления модели принять материал, одинаковый по своим физико-механическим свойствам с материалом натуры, что создает определенные преимущества перед методом эквивалентных материалов.
Центрифуга представляет собой коромысло, укрепляемое на вертикальной вращающейся оси. К нему прикрепляют съемные каретки, в которые помещают исследуемые модели. Из условий безопасности и с учетом значительных размеров центрифуг (диаметр 3—5 м) их размещают в помещениях с массивными ограждениями, чаще всего в подвалах.
С помощью специального устройства при работе центрифуги измеряют и контролируют скорость вращения и разворот кареток из вертикального положения в горизонтальное (при наборе скорости вращения) и обратный поворот при снижении скорости.
Достоинством центробежного моделирования является то, что это единственный из методов моделирования, в котором благодаря использованию естественных горных пород соблюдается соответствие между размерами частиц и молекул. Для некоторых задач это имеет важное значение.
Вместе с тем данный метод имеет и ряд недостатков. Один из них — отсутствие однородности механического силового поля, так как вследствие ограниченного радиуса центрифуги силовые линии и эквипотенциальные поверхности в модели непараллельны. Кроме того, с удалением от центра тяжести модели в ту или иную сторону по ее высоте изменяется эффективный радиус вращения, соответственно изменяется и масштаб моделирования. Указанное обстоятельство и технические возможности ограничивают предельные размеры моделей по высоте, а следовательно, и возможные глубины моделируемой толщи пород.
При центробежном моделировании также крайне затруднительно, а иногда и совсем невозможно воспроизводить слоистые толщи разнородных по составу и свойствам пород. Большие технические трудности представляет и воспроизведение в модели перемещения забоя во времени, что ограничивает область эффективного применения данного метода, поэтому в ряде случаев возникает необходимость обращения к другим методам моделирования.
Влияние порядка выемки месторождений и системы разработки на возникновение горных ударов представляет большую проблему при разработке на больших глубинах и поэтому будет подробно рассмотрено ниже. Здесь лишь отметим, что наиболее опасными в отношении горных ударов, как показала практика разработки глубоких рудников, являются системы с открытым очистным пространством, когда оставляются междукамерные и междуэтажные целики, являющиеся местами наибольшей концентрации напряжений, системы с магазинированием руды, с гютолкоуступным и почвоуступными забоями. Опасны выборочная выемка блоков, большие опережения или отставания соседних очистных забоев (блоков) на фронте работ, нарушения порядка выемки.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ
Все горные удары можно классифицировать в зависимости от способа приложения вызывающей удар нагрузки, количества выделяющейся сейсмической энергии в результате происшедшего удара и мест его возникновения.
По характеру прилагаемой нагрузки к удароопасным участкам горных пород различают следующие удары.
1. Удары давления. Они происходят в результате постепенного перенапряжения пород и превышения предела прочности пород на сжатие. Такие удары характеризуются взрывоподобным разрушением отдельных участков массива горных пород (целиков, краевых зон, очистных забоев).
2. Импульсные ("шоковые") удары. Возникают в случае кратковременного приложения нагрузки к перенапряженному участку массива. В качестве примеров таких ударов можно привести мгновенное обрушение обнажений крепких пород при достижении предельного пролета или перенапряженных целиков, когда их размеры минимальны.
По величине выделяющейся сейсмической энергии, которую можно характеризовать степенью разрушения горных выработок и воздействи-ем на окружающий массив, крепь, горное оборудование, горные > разделяются следующим образом:
1. Микроудар (шелушение, стреляние, толчки). Характеризуется локальными разрушениями породы на контуре выработки или в глубине массива при небольших энергетических характеристиках. Признаками шелушения является отделение тонких пластинок горной пород боков или кровли выработки, стреляние - хрупким разрушением отскакиванием отдельных кусков породы от поверхности забоя или выработки, сопровождаемых резким звуком, а толчки — местным разрушением породы в глубине массива без выброса ее в выработку, сотрясением массива и глухим звуком с воздушной волной.
2. Слабый горный удар. Отличается от микроудара не только местным разрушением, но и выбросами породы в выработки, сопровождаемыми как звуковым, так и сейсмическим эффектами. При этом не наблюдается существенных повреждений крепи и оборудования.
3. Средний горный удар. В результате такого удара происходят разрушения и выбросы значительных объемов породы (или полезного ископаемого) в выработку, вызывающие воздушную волну, нарушение крепи, завалы выработок на протяжении нескольких метров, смещение и передвижение машин и оборудования, находящихся на пути воздушной волны.
4. Сильный горный удар. Вызывает значительные разрушения крепи и завалы выработок на длине в несколько десятков метров. Восстановительные работы требуют больших затрат.
5. Катастрофические горные удары. Характеризуются цепной реакцией разрушений целиков и выработок в пределах участка, горизонта или шахтного поля, в результате чего нарушенные площади достигают сотен тысяч квадратных метров, а восстановительные работы становятся невозможными.
Первая классификация горных ударов на угольных шахтах по энергетическому признаку была предложена С.Г. Авершиным.
Подобные классификации по фактору воздействия горного удар на окружающие породы и горные выработки имеются на зарубежных рудниках.
На рудниках "Колар" (Индия) горные удары разделяют по сейсмическому эффекту: легкие - амплитуда колебания сейсмографа 1 мм средние - от 1 до 10 мм; сильные — более 10 мм.
На рудниках "Витватерсранда" (Южная Африка) силу горных уда ров оценивают по числу дней, необходимых для восстановительных работ в забое после горного удара: легкий — потеряно до 4 бурильных смен, средний - от 5 до 10; тяжелый — свыше 10.
Более точная классификация горных ударов по сейсмическому воздействию предложена И.А. Турчаниновым.
Горные удары по месту их возникновения или топологическому фактору классифицируются следующим образом:
в целиках (междукамерных, междуэтажных, внутри забойных);
в краевых зонах массива (на фронте очистной выемки в полезном ископаемом или в подготовительных выработках);
в местах тектонических нарушений;
в капитальных выработках (стволах, квершлагах, штольнях, около-твольных камерах и др.).
МЕХАНИЗМ ГОРНОГО УДАРА
Крепкие горные породы, склонные к горным ударам, обладая высоким пределом упругости, способны аккумулировать значительные запасы потенциальной энергии в единице объема, которая при определенной степени перенапряжения способна мгновенно переходить в кинетическую. Этим можно объяснить потерю устойчивости пород при превышении действующих напряжений над величиной предела прочности на сжатие. Имеющиеся запасы потенциальной энергии в этом случае реализуются на разрушение пород не только на контуре выработки, но и в глубине массива.
Р. Квапил считает, что горный удар возникает только в том случае, когда действующее напряжение превышает предел упругости породы, причем увеличение действующего напряжения опережает возрастание деформации породы. По Э. Айзексону сила горного удара определяется энергией упругой деформации горной породы. С.Г. Авершин и В.Д. Слесарев, объясняя причину возникновения горных ударов, предложили следующую гипотезу: хрупкое разрушение краевой части угольного пласта в виде горного удара происходит под действием высокого опорного давления, возникающего в процессе горных работ.
Контрольные вопросы:
6. Как предсказать поведение сложноструктурных объектов?
7. Как меняются свойства горных пород с глубиной залегания?
8. В чем заключается различие между аналоговым и физическим моделированием?
9. Перечислите методы физического и аналогового моделирования.
10.Какова точность информации, получаемой с помощью моделирования?
МОДУЛЬ 4. УСМ
РАЗДЕЛ 9. УСМ ПРИ ПРИ
ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
ЛЕКЦИЯ № 1
План лекции
1. УСМ при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.
2. Основные понятия. Способы УСМ.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 341.
