Выбор места возведения рудоспуска на основе применения конечно-элементного моделирования с использованием программного комплекса CAE Fidesys
М.А. Соннов, заместитель генерального директора ООО «ФИДЕСИС»
А.Е. Румянцев, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург
А.В. Трофимов, канд. техн. наук, заведующий центром физико-механических исследований, ООО «Институт Гипроникель», СанктПетербург
В.Б. Вильчинский, канд. техн. наук, заведующий горной лабораторией, ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург
А.П. Киркин, стажёр-испытатель ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург
А.В. Баженова, стажёр-испытатель ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург
Введение
В процессе эксплуатации протяженных (глубоких) рудоспусков, расположенных на больших глубинах, в породах сильной нарушенности и низкими физико-механическими свойствами зачастую происходит постепенное разрушение стенок и их расширение, в результате образовавшаяся полость оказывает негативное влияние на устойчивость стратегических капитальных выработок, расположенных рядом с ними.
Подобные ситуации могут приводить к негативным последствиям, таким как: снижение экономической эффективности и безопасности производства, невозможность полноценного извлечения запасов.
В работе для моделирования вариантов размещения нового рудоспуска применен комплексный подход, в котором учитывались физико-механические свойства пород, слагающих массив, путём проведения испытаний кернов горных пород из геотехнических скважин, пробуренных в рассматриваемой области, параллельно с испытаниями проводилось детальное геотехническое описание массива и выделялись домены, которые принимались для моделирования в конечно-элементной постановке. Следует отметить, что численные методы широко используются в последние несколько десятилетий благодаря прогрессу в вычислительной мощности [1].
Моделирование
Моделирование напряженного состояния массива в 3D-постановке в районе ствола, рудоспуска и проектируемого рудоспуска выполнено в программном комплексе CAE Fidesys [2].
В данной CAE системе при прочностном и других расч ётах используется метод конечных элементов – численный метод решения задач прикладной механики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела.
Моделирование задач геомеханики связано с большими объемами вычислений. Определяется это в первую очередь значительными размерами моделируемых участков, с повышением точности разбиения модели на конечные элементы в интересующих областях.
Рис. 1 Совмещенная 3D-модель с вариантами размещения возводимого рудоспуска и геотехническими скважинами РС-1 и РС-2
Создание 3D-модели проводилось в программе AutoCAD на основе планов разрезов и маркшейдерской съемки контура рудоспуска. Варианты размещения нового рудоспуска согласовывались с проектной организацией. В результате построений получена 3D-модель, представленная на рис. 1. После импорта в программу CAE Fidesys над моделью проводился ряд булевых операций, затем модель разбивалась на домены (рис. 2), которые были определены по геотехническим скважинам РС-1 и РС-2, после чего строилась конечно-элементная сетка, сгущающаяся от периферии к стволу и рудоспускам (рис. 3).
Рис. 2 Модель в программе CAE Fidesys, разделенная на домены
Рис. 3 Модель, разбитая на конечные элементы
Модель разбивается на блоки, различающиеся по физико- механическим свойствам (табл. 1), после чего накладываются граничные условия, которые включают в себя:
– запрещение перемещений по всем направлениям для нижней плоскости модели;
– нижнюю плоскость модели, условно расположенную на глубине 1200 м от поверхности земли, таким образом, на верхнюю плоскость модели на глубине 700 м приложено равномерно распределенное давление 19,6 МПа, что соответствует давлению, оказываемому столбом (толщей) горных пород высотой 700 м;
– запрещение перемещений для боковых граней модели по соответствующим осям;
– заданное действие гравитации для всей модели.
После проделанных подготовительных операций запускается расчет модели в упругопластической постановке.
Всего произведено 6 расчетов, по 2 для каждого варианта (рис. 3, варианты: 3, 4 и 6, 5), сначала модель рассчитывалась без закладки существующего рудоспуска, затем с закладкой.
Для примера подробно рассмотрим один из вариантов (вариант 3).
Рис. 4 Вариант 3: горизонтальные напряжения главные 1 и главные 2
Главные горизонтальные напряжения сжатия (знак –) в области рудоспуска и горизонтальной выработки на горизонте –906 м находятся в диапазоне для главных 1 от 0,25 до 16,8 МПа, для главных 2 от 0,23 до 36,8 МПа; эти области сосредоточены от горизонта –800 м до –906 м. Растягивающие напряжения (знак +) для главных 1 изменяются от 0,47 до 12 МПа, для главных 2 от 0,73 до 1,7 МПа, напряжения сосредоточены в камере перегруза на горизонте –800 м, почве горизонтальной выработки и сопряжениях выработок, а также на контуре существующего рудоспуска от –700 до –850 м горизонта.
Значения горизонтальных главных напряжений сжатия (знак –) и растяжения (знак +) по максимальным значениям, если сравнивать с вариантом без закладки существующего рудоспуска (рис. 4), остались без изменений, однако отчетливо прослеживается снижение влияния полости существующего рудоспуска в диапазоне от горизонта –700 м до горизонта –850 м, что положительно сказывается на устойчивости ствола и планируемого рудоспуска в этом диапазоне глубин.
Вертикальные главные сжимающие (знак –) напряжения изменяются в диапазоне от 0,47 до 102,9 МПа, наблюдается влияние существующего рудоспуска на ствол и камеру перегруза и части ствола в планируемом рудоспуске на горизонте –800 м, максимальные преобладающие напряжения достигают 52 МПа. Эквивалентные напряжения по Мизесу изменяются в диапазоне от 0,65 до 87 МПа, преобладают на- пряжения от 20 до 40 МПа, также на горизонте –800 м видно влияние существующего рудоспуска на ствол и планируемый рудоспуск.
Рис. 5 Вариант 3: с закладкой существующего рудоспуска, горизонтальные напряжения главные 1 и главные 2
Аналогично выводам по рис. 5 вертикальные главные напряжения и напряжения по Мизесу по максимальным значениям остались на прежнем уровне (в сравнении с рис. 6), однако видно, что благодаря закладке существующего рудоспуска происходит перераспределение опорного давления, что снижает значения напряжений в области горизонта – 800 м, что положительным образом скажется на устойчивости ствола и планируемого рудоспуска.
Рис. 6 Вариант 3: вертикальные главные напряжения 3 и напряжения по Мизесу
По всем осям наблюдаются очаги возникновения пластических деформаций, проявляется это на отметках от –756 до –802 м и от –822 до –906 м, это связано со слабыми по своим физико-механическим параметрам слагающим массив горным породам, в соответствии с принятыми доменами rs2–2 и rs2–4.
Рис. 7 Вариант 3: с закладкой существующего рудоспуска, вертикальныеглавные напряжения 3 и напряжения по Мизесу
На рис. 8 представлены главные пластические деформации и пластические деформации по Мизесу, на горизонте –800 м видна область срастания пластических деформаций между существующим рудоспуском и планируемым, это свидетельствует о том, что уже в процессе проходки гарантировать устойчивость нового рудоспуска нельзя. Также при дальнейшем разрушении стенок существующего рудоспуска зона пластических деформаций в массиве горных пород на горизонте –800 м дойдет до ствола. Пластические деформации, возникающие в массиве вокруг ствола на отметках от –822 до –906 м, связаны с размещением его в домене rs2–4 и, по всей видимости, компенсируются существующей железобетонной крепью.
Рис. 8 Вариант 3: пластические деформации главные 1, главные 2, главные 3 и по Мизесу
По результатам моделирования с закладкой существующего рудоспуска прослеживается значительное улучшение состояния массива в районе горизонта –800 м, а именно значительное уменьшение значений пластических деформаций, в соответствии с цветовыми легендами, представленными на рис. 8 и 9. Однако наличие пластических деформаций по всем осям, в основном на отметках от –756 до –802 м и от –822 до –906 м, связано со слабыми по своим физико-механическим параметрам слагающим массив горным породам, в соответствии с принятыми доменами rs2–2 и rs2–4.
Аналогичным образом рассматривались остальные варианты размещения нового рудоспуска. По результатам анализа всех проведенных расчетов вариант 5 признан наиболее предпочтительным.
Поэтому для выбора параметров и типов крепей вариант 5 подвергся более подробному рассмотрению. Для выбора параметров крепления (для примера, по одной из анализируемых линий) на рис.10 представлены распределения напряжений по Мизесу и главные напряжения. Всего рассмотрено 6 линий, каждая линия строилась в трёх вариантах: непосредственно в кровле или боку выработки; в двух метрах от кровли или бока выработки; в четырёх метрах от кровли или бока выработки.
Рис. 10 Легенда к анализируемым линиям и результат распределения напряжений по линии 1
Для удобства использования полученных результатов в последующих расчётах сформированы таблицы (из-за большого объема данных в статью не вошли), в которых представлены значения из графиков, полученных по линиям.
Как видно, применение численного моделирования вкупе с результатами геотехнических исследований массива дает весьма широкие возможности для оценки размещения подземного сооружения в том или ином домене с учетом большого числа переменных факторов массива.
