Исследование напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг выработок численным методом

Автор: Фам Ван Тхыонг

Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii

Статья в выпуске: 5, 2011 года.

Бесплатный доступ

В статье проанализировано увеличение напряжения в горных породах при увеличении глубины расположения горных выработок. Определена закономерность напряжений распределения в массиве горных пород при увеличении глубины расположения горных выработок. Показаны величины напряжений и смещений внутрь массива в зависимости от расстояния от контура горных выработок.

Строительство подземных сооружений и шахт, буровзрывной способ, комбайн, напряжения, смещения, закономерность

Короткий адрес: https://sciup.org/140215332

IDR: 140215332

Текст научной статьи Исследование напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг выработок численным методом

1. Общие положения

Основными направлениями развития Вьетнамской угольноминеральной группы компаний на 2010 2015 гг. и на период до 2020 г. предусмотрено довести добычу угля до 70-76 млн. т в год. Ежегодно глубины разработки подземных шахт возрастают: предполагаемые средние глубины подземных шахт 2010 г. -100 м; 2015 г. -300 м; 2020 г. -500 м. Горно-геологические условия, в которых сооружаются капитальные горные выработки, постоянно усложняются. Поэтому исследования напряженно-деформированного состояния вокруг выработок с целью выбора оптимального вида крепи являются актуальными и
первоочередными.
2. Модель расчета напряженно-деформированного состояния в зависимости от глубины расположения горных выработок

В настоящее время во Вьетнаме отсутствует методика определения напряжений и смещений массива пород вокруг горных выработок в зависимости от глубины их расположения. Программа “Phase 2” позволяет решать задачи и анализировать их результаты в любом лиапазоне глубин и прочностных параметров горных пород, в которых изменяется глубина расположения горных выработок. В данной статье рассматриваются закономерности механики пород вокруг горных выработок в зависимости от глубины расположения горных выработок.

В расчетах используем реальные горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь, в стратиграфии которого сопротивление сжатию горных пород колеблется в широком диапазоне, но наиболее часто встречаемые породы имеют сопротивление сжатию 20 МПа. Поэтому автор исследует напряженно-деформированное состояние массива, физико-механические свойства которого приведены в табл. 1. Площадь поперечного сечения выработок в проходке Sпр= 13 м2, глубина расположения горных выработок Н = 300 600 м, зона исследования рассматривается на расстоянии 3 х радиусов от кромки выработки (рис. 2).

Таблица 1

Физико-механические свойства горных пород, моделируемые в программе “Phase 2” в зависимости от глубины от 300 600 м.

№ п/п	Показатель	Значение физико-механических свойств горных пород
1	Предел прочноти на одноосное сжатие, R сж ,МПа	20
2	Предел прочности на одноосное растяжение, R р , МПа	3,6
3	Индекс геологической прочности GSI	40
4	Сцепление, МПа	4,24
5	Модуль упругости, Е, МПа	55 .10³
6	Коэффициент Пуассона, ц	0,35
7	Объёмная плотность, Y , МН/м³	2,0.10^-2
8	Угол внутреннего трения Ф, град.	44,02
10	Угол остаточного трения Ф ос , град.	45,02
11	Угол дилатации Ф, гад.	5,5
12	Соотношение начального поля напряжения, σ ч /σ0	1
13	Критерий нарушения	Кулона- Мора
14	Форма материала	Пластик
15	Площадь сечения горной выработки в проходке S пр , м².	13
16	Глубина расположения горных выработок Н, м.	300 600

А) Глубина – 300 м

В) Глубина – 500 м
3. Результаты расчета задач программой “Phase 2”

Рис. 1: Расчетные схемы.

Расчеты напряженно-деформированого состояния массива горных пород вокруг выработок выполнения в соответствии его схемой на рис. 2. Обработка результатов расчетов увидена на рис. 3 и 4. Численные решения результатов расчетов приведены на табл. 2. По результатами расчетов были построены задачи распределяемых напряжений вокруг горных выработок (рис. 5, 6) и смещений массива горных пород рис. 7.

Рис. 2. Расчетная схема напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок

А) Глубина – 300 м

Б) Глубина – 400

В) Глубина – 500

Г) Глубина – 600

Рис. 3. Распределение вертикальных напряжений (7g массива горных пород вокруг выработок в зависимость от глубины их расположения

А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400

В) Глубина – 500 Г) Глубина – 600

Рис. 4. Распределение горизонтальных напряжений С ч массива горных пород вокруг выработок в зависимости от глубины их расположения

А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400

Г) Глубина – 600

В) Глубина – 500

Рис. 5. Распределение величины смещений массива горных пород вокруг выработок в зависимости от глубины их расположения

Результаты анализа задачи при R сж = 20 МПа, Н = (300 600)м, S пр = 13,0м²

Численные знания напряженно-деформированного значения массива горных пород в зависимости от глубины заложения выработок и угла наклона рассматриваемой оси

Таблица 2

Н, м	₀0			45⁰			90⁰			-45⁰			-90⁰
Н, м	1R	2R	4R	1R	2R	4R	1R	2R	4R	1R	2R	4R	1R	2R	4R
	Значение вертикального напряжения σ0 в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси
300	8,5	7	6,25	9,25	7	5,5	9,25	7	5,5	19	6,25	6,25	4	7	6,25
400	11,85	9,95	8,05	12,8	9	8,05	11,85	9	8,05	25,15	9	8,05	5,2	9	8,05
500	15	12	10,5	15	12	10,5	15	12	10,5	31,5	10,5	10,5	6	12	10,5
600	16,5	15	12	18	13,5	12	18	13,5	12	36	13,5	12	7,5	13,5	12
	Значение вертикального напряжения σ ч в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси
300	0,3	4,5	5,4	0,6	3,9	5,1	0,6	3,9	5,1	6,9	5,1	5,7	0	2,4	5,1
400	0,4	6	7,2	0,8	5,2	6,8	0,8	5,2	6,8	9,6	6,8	7,6	0	3,2	6,8
500	0,1	7,3	9,1	1,3	6,7	8,5	0,7	6,7	8,5	12,1	8,5	9,1	0,1	4,3	8,5
600	0,6	9	10,8	1,2	7,8	10,2	1,2	7,8	10,2	13,8	10,2	11,4	0	4,8	9,6
	Значение смещения в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси
300	11,2	4,2	1,4	11,9	5,6	2,1	12,6	6,3	2,1	7	3,5	1,4	16,1	9,1	2,8
400	15,2	5,7	1,9	16,1	7,6	2,85	17,1	8,55	2,85	9,5	4,75	1,9	22,8	11,4	3,8
500	19,5	7,5	3	21	10,5	4,5	21	10,5	4,5	12	6	1,5	28,5	15	4,5
600	22,5	9	3	25,5	12	4,5	25,5	12	4,5	13,5	7,5	3	34,5	18	6

------- Распределение напряжения на глубине Н = 300 м — — — Распределение напряжения на глубине Н = 400 м

-о------о------Распределение напряжения на глубине Н = 500 м
—□-----□------Распределение напряжения на глубине Н = 600 м

Рис. 6. Графики распределения напряжения СУд - СУ ч горных пород вокруг на глубинах от 300 до 600 м., А)- вариант

~ ~ - - - - - Смещение горных пород на глубине Н = 300 м — — — Смещение горных пород на глубине Н = 400 м

-о ------о-----Смещение горных пород на глубине Н = 500 м

—°----°------Смещение горных пород на глубине Н = 600 м

Рис. 7. Графики смещения горных пород вокруг горных выработок на глубинах от 300 до 600м.

)------о------Распределение напряжения а9 на глубине Н = 500 м

-о-----□------Распределение напряжения а„ на глубине Н = 600 м

Рис. 8. Эпюра распределения напряжения СУд вокруг горных выработок в зависимость от расстояния до контура выработки

------ Распределение напряжения а на глубине Н = 300 м — — —Распределение напряжения а^на глубине Н = 400 м

-о______о_____Распределение напряжения а^на глубине Н = 500 м

—□-----□-----Распределение напряжения а^на глубине Н = 600 м

Рис. 9. Эпюра распределения напряжения СУ ч горных пород вокруг на глубинах от 300 до 600 м

Рис. 10. Графики максимальных напряжений σ0-σ ч контура горных выработок на глубинах от 300 до 600 м.

Рис. 11. Графики максимальных смещений контура горных выработок на глубинах от 300 до 600 м.

Выводы и рекомендации:

Вышеизложенные аналитические результаты, заданные программой “Phase 2” в главе 3 позволили сформулировать следующие выводы:

- Глубина расположения горных выработок оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние массива горных

пород вокруг горных выработок, которое изменяется в 1,89 раза (см. рис.10, 11).

- Напряжения в массиве и смещения горных пород уменьшаются в зависимости от расстояния до центра выработки и стабилизируются на расстоянии 4 радиуса выработки (см. рис. 6, 7). Таким образом, благодаря численному методу мы можем увидеть и анализировать распределение напряжений вокруг выработок.

Список литературы Исследование напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг выработок численным методом

Картозия Б. А. Строительство горных выработок в сложных горно-геологических условиях. Справочник. -М.: Недра, 1992.
Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. -М.: Недра, 1989.
Rocscience Inc. Phase2 Tutorial, 2006.

Статья научная