Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при отработке месторождений Урала
Р.В. Криницын
Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Горная Промышленность №5 / 2022 стр. 79-82
Резюме: Горные удары, происходящие на горнодобывающих предприятиях Урала, заставляют обратить пристальное внимание на мероприятия по их прогнозу и профилактике. С целью снижения риска их проявления ведутся работы по оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород для задания граничных условий при расчете распределения напряженно-деформированного состояния в конструктивных элементах системы отработки при очистной выемке полезных ископаемых. Такие расчеты позволяют оценить устойчивость массива горных пород, от которой напрямую зависят эффективность и безопасность ведения работ, разрушения и потеря устойчивости конструктивных элементов которой принято называть проявлениями горного давления. Как правило, разработка мощных месторождений полезных ископаемых подземным способом осложняется наличием в комплексе слагающих их руд и пород тектонических нарушений различного ранга, которые являются концентраторами напряжений, формирующими в прилегающем массиве зоны повышенного напряжения с уровнем, превышающим фоновый. Несмотря на постоянный рост профилактических мероприятий, количество аварийных ситуаций при проходке и эксплуатации выработок различного назначения практически не снижается, что говорит как об ухудшающихся горнотехнических условиях разработки, так и о недостаточной изученности воздействующих факторов и низком качестве их прогноза.
Ключевые слова: горный удар, напряженное состояние, подземная разработка, метод конечных элементов
Благодарности: Исследования выполнены в рамках государственного задания № 075-00412-22 ПР. Тема 3 (2022-2024). (FUWE-2022-0003), рег. №1021062010536-3-1.5.1.
Для цитирования: Криницын Р.В. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при отработке месторождений Урала. Горная промышленность. 2022;(5):79–82. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-79-82
Информация о статье
Поступила в редакцию: 08.08.2022
Поступила после рецензирования: 06.09.2022
Принята к публикации: 07.09.2022
Информация об авторе
Криницын Роман Владимирович – заведующий лабораторией, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Одним из способов снижения рисков проявления геодинамических событий является их прогноз и профилактика. Выполняется прогнозный расчет, особенностью которого является то, что на любой рассматриваемый момент ведения горных работ оценивается напряженное состояние конструктивных элементов системы разработки, которое сравнивается с прочностными параметрами вмещающего массива пород. Сложность задачи заключается в том, что при ведении горных работ изменяется как сама картина горных конструкций, так и естественное поле напряжений, а с развитием фронта горных работ изменяются от участка к участку и прочностные характеристики массива пород и руд.
Геомеханическая ситуация
Особенностью ведения горных работ на некоторых месторождениях является рассредоточение участков добычи на нескольких залежах в силу их заблаговременной подготовки и значительной степени выемки. Часто это мощные и слепые рудные залежи месторождений, которые залегают в комплексе крепких скальных пород.
Порядок отработки залежей формирует ступенчатое нагружение массива горных пород и формирование потенциальных очагов горных ударов в соответствии с установленными закономерностями роста напряжений в горных породах с глубиной и перераспределение их первоначально вокруг выработок. Вокруг выработанных пространств с окружающими их выработками принимается потенциально равновесное напряженное состояние. Неравномерность распределения напряженного состояния в массиве и залежах пород, находящихся под воздействием как техногенных, так и неотектонических процессов, накладывает отпечаток на геомеханическую ситуацию, а следовательно, и на характер проявления горного давления и удароопасность. С помощью различных наблюдательных станций лабораторией геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН получены результаты, позволяющие выполнять прогноз геодинамических явлений и аварийных ситуаций для предотвращения этих событий в сфере недропользования. Возникают динамические формы горного давления, причинами возникновения которых являются склонность массива горных пород к хрупкому разрушению и концентрации сжимающих напряжений, причем, как справедливо отмечают авторы [1–10], «динамическое разрушение горных пород происходит на всех иерархических масштабных уровнях – от зарождения дислокаций до прорастания крупных трещин, образования трещин сдвига и отрыва и перехода в лавинное разрушение с объединением отдельных областей проявления динамических явлений в единую масштабную систему».
Поэтому при подземной геотехнологии обязательными элементами добычи полезных ископаемых являются как контроль изменения напряженно-деформированного состояния массива пород, так и прогноз его изменения. В процессе исследований установлен дискретный характер распределения природных (первоначальных) напряжений на уральских месторождениях [11]. Имеют место как средне-, так и высоконапряженные участки [12]. При оценке природных напряжений одной из главных проблем является определение изменяющихся во времени напряжений, величина которых под влиянием различных факторов изменяется с различной периодичностью.
От данных, полученных при измерениях уровня напряжений в массиве горных пород, а также от принятого метода управления горным давлением зависят эффективность и безопасность разработки месторождений подземным способом.
Полученные экспериментально данные применяются в качестве граничных условий для решения прикладных задач, связанных с расчетом напряженно-деформированного состояния горных конструкций, определением параметров конструктивных элементов системы разработки, а также разработкой мероприятий по обеспечению их устойчивости и сохранности в условиях изменяющегося с глубиной горного давления и его перераспределения при очистной выемке.
Моделирование напряженно-деформированного состояния
Для прогнозирования устойчивости и удароопасности массива горных пород при отработке месторождения проведено моделирование постадийного увеличения очистного пространства. Геомеханическая модель представляет собой однородную изотропную среду. Задачи решались в плоской постановке. Физико-механические свойства вмещающего массива учитывают трещиноватость и нарушенность массива: модуль деформации 40 000 МПа; коэффициент Пуассона 0,3; плотность среды 2,8 т/м3; начальный угол внутреннего трения 30 град; начальное сцепление 15 МПа; начальная прочность на растяжение 5 МПа; а также остаточные прочностные характеристики – угол трения 30 град; сцепление 2; прочность на растяжение 0,6; минимально возможный модуль деформации этой среды 1000 МПа. Напряжения заданы: вкрест простирания – 27,8 МПа, по простиранию – 16,7 МПа. Расчет напряженно-деформированного состояния проводился методом конечных элементов с помощью пакета программ FEM [13].
Рис. 1 Распределение напряжений при увеличении выработанного пространства
Fig. 1 Distribution of stresses with the increase of the mined space
Результаты моделирования показывают возникновение незначительных растягивающих напряжений на стенках камеры на второй и третьей стадии отработки. Учитывая результаты расчета по разрезу, они будут компенсированы сжимающими напряжениями, но при отработке удароопасных месторождений требуется постоянный контроль изменения напряжений при очистной выемке.
Заключение
1. При ведении горных работ на удароопасных месторождениях с высоким уровнем напряжений в массиве горных пород отмечаются случаи шелушения, интенсивного заколообразования и стреляния пород. Эти внешние признаки удароопасности происходят в основном при проведении выработок на участках ведения очистных работ. Во всех случаях необходимо применять меры контроля удароопасности и профилактики для предупреждения геодинамических событий.
2. Аналитические расчеты и моделирование показывают, что наиболее проблемным участком часто является район перехода очистных работ на большую глубину, где очистные работы и высокие напряжения приводят к проблемам с устойчивостью массива горных пород.
3. Геомеханическая ситуация в недрах, по результатам исследований, диктует в дальнейшем адаптацию параметров геотехнологии к горно-геологическим условиям. Это требует тщательных геомеханических проработок, в которые необходимо включать натурные измерения и скрупулезное изучение имеющейся документации, а также прогнозные расчеты распределения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при дальнейшей отработке.
Список литературы
1. Курленя М.В., Миренков В.Е., Сердюков С.В. Взгляд на природу напряженно-деформированного состояния недр земли и техногенные динамические явления. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008;(8):5–20. Режим доступа: https://giabonline.ru/files/Data/2008/8/1_Kurlenya.pdf?ysclid=l7rffiqc59139991805
2. Рассказов И.Ю., Саксин Б.Г., Петров В.А., Просекин Б.А. Геомеханические условия и особенности динамических проявлений горного давления на месторождении Антей. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012;(3):3–13.
3. Косых В.П. Влияние слабых динамических воздействий на эволюцию напряжений в сыпучей среде. В кн.: Фомин В.М. (ред.) Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: материалы 24-й Всерос. конф., г. Омск, 2–4 июня 2015 г. Омск: ОмГТУ; 2015. С. 114–117.
4. Иванов В.И. К прогнозу и предупреждению горных ударов на рудниках Кольского полуострова. В кн.: Горбунов Г.И. (ред.). Механика горных пород при подземном строительстве и освоении месторождений на больших глубинах: сборник научных трудов. Ленинград: Наука; 1983. С. 96–103.
5. Сидоров Д.В. Методология снижения удароопасности при применении камерно-столбовой системы разработки Североуральских бокситовых месторождений на больших глубинах. Записки Горного института. 2017;223:58–69. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.1.58
6. Мухамедиев Ш.А. О дискретном строении геосреды и континуальном подходе к моделированию ее движения. Геодинамика и тектонофизика. 2016;7(3):347–381. https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-3-0213
7. Lovchikov A.V. A new concept of the mechanism of rock-tectonic bursts and other dynamic phenomena in conditions of ore deposits. Mining Science and Technology (Russia). 2020;5(1):30–38. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/2500-0632-2020-1-30-38
8. Пономарев В.С. Энергонасыщеность геологической среды. Труды Геологического института. 2008;582:1–379.
9. Зубков А.В., Бирючев И.В., Криницын Р.В. Исследования изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Горный журнал. 2012;(1):44–47. Режим доступа: https://rudmet.ru/journal/820/article/12495/
10. Криницын Р.В., Липин Я.И., Сентябов С.В. Исследование вариаций поля упругих напряжений массива пород при отработке Песчанского месторождения. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2020;(5):19–28. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2020-5-19-28
11. Липин Я.И., Криницын Р.В. Актуальные вопросы оценки напряжений при прогнозе удароопасности на современном этапе. Современные проблемы механики. 2018;(33):410–418.
12. Бодин В.В. Влияние локально-напряженных зон тектонических нарушений на пространственное распределение спектров сейсмических волн. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(4):5–10. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2014/04/5-10_Bodin_-_6_str.pdf
13. Зотеев О.В. Моделирование трещин при расчетах напряженно-деформированного состояния скальных массивов. Известия Уральского государственного горного университета. 2000;(11):252–259. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-treschin-pri-raschetah-napryazhenno-deformirovannogo-sostoyaniya-skalnyh-massivov?ysclid=l7riyq50f3850128662
