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:

092 f1

092 f2

092 f3

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.

092 t1

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:

092 t2

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 телаа) напряжение по оси ХХ в случае 1-а

а) напряжение по оси ХХ в случае 1-а

напряжение по оси ХУ в случае 3-а

напряжение по оси ХУ в случае 3-а

б) напряжение по оси УУ в случае 2-б

б) напряжение по оси УУ в случае 2-б

в) полная деформация в случае 2-а

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.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Айтматов И.Т. Геомеханика рудных месторождений Средней Азии. Фрунзе: изд. Илим. 1987. 246с.
2. Кожогулов К.Ч, Усенов К.Ж., Алибаев А.П. Геомеханические основы и технология при комбинированной разработке крутопадающих месторождений. Бишкек. 1999. 186 с.
3. Ялымов Н.Г. Исследование горного давления при подземной разработке рудных месторождений Киргизии. Фрунзе, изд. Илим, 1976. 203с.
4. Кожогулов К.Ч., Турсбеков С.В., Никольская О.В. др.] Основы геомеханики при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Бишкек-Алмата, 2016г. 146 с.
5. Усманов С.Ф. Прогнозирование устойчивости бортов высокогорных карьеров на основе моделирования напряженно-деформированного состояния. Бишкек. изд. КРСУ. 2009г. 172с.
6. Абдылдаев К.К., Кабаева Г.Дж., Кожогулов К.Ч. Моделирование геомеханических процессов с помощью Matlab на основе метода конечных элементов // Поиск. Серия естественных и технических наук. Алмата. 2012.
7. Кожогулов К.Ч., Куваков С.Ж. Моделирование напряженно-деформированного состояния подкарьерных запасов при комбинированной разработке рудных месторождений // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. Новосибирск. 2015. 2. С. 14–19.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, прибортовой массив, подкарьерные рудные залежи, угол падения, свойства пород

Журнал "Горная Промышленность"№6 (136) 2017, стр.92