Напряженно-деформированное состояние прибортовых массивов и подкарьерных залежей при различных углах падения рудных тел
К.К. Абдылдаев, канд. техн. наук, доц., Иссык-Кульский государственный университет им. К. Тыныстанова, г. Каракол, Республика Кыргызстан
С.Ж. Куваков, научный сотрудник, Институт геомеханики и освоение недр НАН КР, г. Бишкек, Республика Кыргызстан
Г.Дж. Кабаева, д-р техн. наук, проф., Кыргызско-Российский Славянский университет, г. Бишкек, Республика Кыргызстан
К.Ч. Кожогулов, д-р техн. наук, член-корр. НАН КР, Институт геомеханики и освоение недр НАН КР, г. Бишкек, Республика Кыргызстан
В работе приведены результаты моделирования напряженнодеформированного состояния прибортовых массивов и подкарьерных залежей при различных углах падения рудных тел с использованием программы Plaxis.
Напряженно-деформированное состояние прибортовых массивов и подкарьерных залежей при различных углах падения рудных тел
Проблема повышения эффективности и безопасности разработки рудных месторождений в Кыргызстане занимает важное место в дальнейшем развитии горнодобывающей промышленности республики. Неизбежное в связи с этим увеличение глубины горных работ и повышение горного давления, связанное с развитием фронта очистных работ, высокой тектонической напряженности массива пород и сложности его геологической структуры проявляется на рудниках Кыргызстана как в статической, так и динамической форме и приводит к ее опасным последствиям как внезапное разрушение участков разрабатываемого массива горных пород [1–3].
Массив горных пород, в котором ведутся горные работы, представляет собой сложное геологическое тело, состоящие из различных горных пород, объединённых происхождением и последующим совместным развитием. Граница массива проводится по геолого-генетическим принципам. Сложная морфология крутопадающих месторождений создает аномальные дополнительные концентрации техногенных напряжений в массиве горных пород, которые приводят к накоплению упругой энергии, изменяя естественное поле напряжений. Наиболее достоверные результаты при исследовании изменений естественного напряженного состояние массива горных пород можно получить при проведений натурных экспериментов непосредственно в шахтных условиях.
Обычно, методы определения напряжений в массиве условно делятся на три группы: деформационные способы, компенсационные способы и методы, основанные на оценке природных или искусственно создаваемых в массиве физических полей и их взаимосвязи с напряженным состоянием земной коры [4]. Однако, эти методы не имеют достаточных возможностей учета сложной морфологии и структурных неоднородностей массива горных пород. Поэтому, в последние годы в Кыргызской Республике стали широко применять численные методы исследования напряженного состояния массива горных пород [5–7]. Они, в основном, базируются на методе конечных элементов, который позволяет значительно упростить решения дифференциальных и линейных уравнений при моделировании напряженно-деформированного состояние породных массивов. На сегодня создано множество автоматизированных программных продуктов с широкой областью их применения. К ним можно отнести программы Ansys, Sigma, Plaxis, Scad, Geo 5, Matlab и другие. При этом они имеют собственные особенности и специфические условия применения.
В качестве средства для исследований нами использована широко известная программа Plaxis, которая отличается от других простотой эксплуатации при решении сложных геомеханических задач.
В работе проведено моделирование напряженно-деформированного состояния бортов и подкарьерных запасов при изменении углов падения рудного тела от 90є до 45є для условий, когда модуль упругости руды больше, чем боковых пород и когда модуль упругости руды имеет меньшее значение, чем у боковых пород, т.е. рассмотрены три варианта:
где – угол падения рудного тела, Eбок.пород и Eруд.тело – модули упругости боковых пород массива и рудного тела соответственно. Геометрические данные разреза: ширина 172 м, высота 108 м, угол наклона левого борта карьера 70є, генеральный угол наклона правого борта 50є, мощность рудного тела 6 м, ши- рина дна карьера 35 м. В табл. 1 показаны физико-механические свойства слагающих горных пород массива для двух разновидностей пород.
Математическое моделирование осуществлялось на основе распространенного и практичного численного метода – метода конечных элементов. Результаты деления разреза на конечные равносторонние треугольные элементы, количество узлов и средний размер стороны равностороннего треугольного элемента показаны в табл. 2:
По результатам математического моделирования напряженно- деформированного состояния вокруг борта карьера по трем рассмотренным случаям, каждый из которых имеет два различных значения модуля упругости, установлены характер распределения напряжений по трем осям и зоны их концентрации. В качестве примера некоторые из них иллюстрируются диаграммами на рис. 1.
Рис. 1 Распределение напряжений в прибортовом массиве и вблизи рудного тела
а) напряжение по оси ХХ в случае 1-а
напряжение по оси ХУ в случае 3-а
б) напряжение по оси УУ в случае 2-б
в) полная деформация в случае 2-а
В целом, характер распределения напряжений по осям вокруг борта карьера изменяется в зависимости от угла падения рудного тела, только в случаях 1-а и 1-б зона концентрации напряжений по оси ХХ в самом рудном теле не наблюдается. Что касается вертикальных напряжений, то во всех случаях они распределяются равномерно с увеличением глубины. Но при углах падения рудного тела 60є и 45є можно заметить небольшие скачки напряжений. Касательные напряжения возникают в зонах контакта бортов с дном нагорного карьера.
По результатам исследования выявлено, что появляется еще одна дополнительная зона концентрации касательных напряжений на отметке 5-15 м при угле падения рудного тела 45є. Также нами установлено, что значения напряжений по осям ХХ, УУ, ZZ, ХУ и деформации при меньше, чем значения параметров НДС при (рис. 2 и 3).
На графике можно заметить, что точки максимума соответствует условию Eбок.пород < Eруд.тело, а точки минимума – Eбок.пород >Eруд.тело . Значения горизонтальных напряжений по оси ХХ (рис. 2) снижаются с уменьшением угла падения рудного тела в 0,9–1,8, а значения вертикальных напряжений УУ в 0,9–1,1, горизонтальных напряжений ZZ в 0,8–1,4, касательных напряжений ХУ в 0,9–1,4, и полной деформации в 0,8–1,3 раза возрастают. Аналогичные результаты получены при моделировании напряженно-деформированного состояния прибортовых массивов и подкарьерных запасов с применением программы Matlab.
Выводы.
Анализ полученных результатов математического моделирования напряженно-деформированного состояния прибортового массива и подкарьерных запасов при различных углах падения рудного тела, позволяет сделать следующие выводы:
1. На характер распределения напряжений прибортового массива и подкарьерных запасов влияют геометрические параметры карьера, физико-механические свойства руды и боковых горных пород и угол падения подкарьерного рудного тела.
2. Изменение угла падения рудного тела является основным фактором, влияющим на снижение значений напряжений по оси ХХ. При этом они уменьшаются в 0,9–1,8 раза в зависимости от величины угла падения рудного тела.
3. Условие вызывает концентрацию напряжений вблизи контактов рудного тела и боковых пород и оказывает негативное влияние на выбор технологии разработки месторождений.
