Геомеханическое обоснование параметров крепи капитальных выработок при отработке подкарьерных запасов угольных месторождений подземным способом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Нгуен Ван Куанг

• Нгуен Ван Куанг
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Куанг

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ОБЗОР КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1.1 Общие положения по комбинированным технологиям отработки месторождений полезных ископаемых

1.1.2 Краткие сведения о разработке угольных месторождений в угольном бассейне Куангнинь

1.2 АНАЛИЗ РАБОТ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И КРЕПЛЕНИЮ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

1.2.1 Критерии устойчивости незакрепленных выработок

1.2.2 Анализ методов оценки напряженно-деформированного состояния массива вокруг горизонтальных выработок

1.2.3 Классификация геомеханических моделей породных массивов

1.2.4 Анализ существующих методов определения нагрузки на крепь горизонтальных выработок

1.3 АНАЛИЗ ТИПОВ КРЕПЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕИЯ

1.3.1 Общие положения

1.3.2 Анализ состояния проведения и эксплуатации горных выработок угольного бассейна Куангнинь

1.4 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ НУЙБЕО25

1.5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ СМЕЩЕНИЙ

КОНТУРА ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУАНГНИНЬ (ПО ДАННЫМ ПРОЕКТНОГО ИНСТИТУТА ОАО ВИНАКОМИН)

2.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.4 КАТЕГОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

2.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ПРОГНОЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.2 ОЦЕНКА ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ КАРЬЕРА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ МАССИВА С ПОМОЩЬЮ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

3.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРА МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ

3.3.1 Постановка задачи для моделирования

3.3.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки

3.4 ПРОГНОЗ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТОК

3.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ КАПИТАЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК В ГОРНО-ГЕОЛОИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ НУЙБЕО

4.1 АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕПИ С МАССИВОМ ГОРНЫХ ПОРОД

4.2 ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЯ НАПРЯЖЕННОСТИ

4.3 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЫРАБОТОК, НАХОДЯЩИХСЯ В УСТОЙЧИВОМ МАССИВЕ

4.4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЫРАБОТОК, НАХОДЯЩИХСЯ В СРЕДНЕУСТОЙЧИВОЙ ПОРОДЕ

4.4.1 Общие положения

4.3.2 Методика определения нагрузок на крепь в зоне пластических деформаций без дилатансии

4.5 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЫРАБОТОК, НАХОДЯЩИХСЯ В СЛАБЫХ НАРУШЕННЫХ ПОРОДАХ

4.5.1 Общие положения

4.5.2 Методика расчета перемещения пород вокруг выработки с учетом разрыхления горных пород

4.6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ТИПА КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ НУЙБОЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обоснование параметров крепи капитальных выработок при отработке подкарьерных запасов угольных месторождений подземным способом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: На шахтах угольного бассейна Куангнинь (Вьетнам) планируется отработка подкарьерных запасов. Разработка угольных пластов под карьером требует обоснования рациональных параметров крепи капитальных выработок, обеспечивающих их эксплуатационное состояние, безопасную и эффективную отработку пластов.

Актуальность данной задачи объясняется сложным характером взаимного влияния карьера и также наличием в массиве геологических разломов, отсутствием опыта разработки подобных месторождений.

В шахтах угольного бассейна Куангнинь отмечены разрушения крепи капитальных выработок. Одной из основных причин неудовлетворительного состояния выработок является отсутствие методики обоснования параметров крепи, учитывающей специфику отработки подкарьерных запасов угля. На ремонт и перекрепление выработок затрачиваются большие средства еще на стадии строительства горизонтов. Как правило, выбор крепи капитальных выработок осуществляется на основании производственного опыта, без анализа условий их применения и расчета параметров. Поэтому поиск закономерностей формирования нагрузки на крепь выработок с целью обоснования их параметров, обеспечивающих устойчивое состояние выработок с минимальными эксплуатационными затратами, является актуальной задачей.

Для решения данной задачи необходима комплексная оценка особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород, напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, предельного состояния пород вокруг выработок и разработка методики расчета смещения пород вокруг выработок с учетом разрыхления горных пород.

Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке месторождений занимались такие ученые, как К.Н. Трубецкой, Д.Р. Каплунов, А.А. Козырев, В.Н. Калмыков и другие.

Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, А.А. Еременко, Б.А. Картозии, О.В. Ковалева, М.В. Корнилкова,

Г.Г. Мирзаева, А.Н. Панкратенко, А.Г. Протосени, К.В. Руппенейта, В.Л Трушко, М.Н. Шуплика, Ю.З Заславского и др.

Цель диссертационной работы: Обеспечение устойчивости капитальных горных выработок обоснованием параметров крепи при отработке подкарьерных запасов угольных пластов в условиях шахты Нуйбео.

Идея работы: Выбор рациональных типов и параметров крепи капитальных выработок угольных шахт при комбинированной разработке месторождения должен производиться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах натурных наблюдений, экспериментально-аналитических и численных методах моделирования.

Основные задачи диссертационной работы:

- анализ горно-геологических условий угольного бассейна Куангнинь на примере месторождения Нуйбео;

- оценка влияния открытой разработки на подкарьерный массив при комбинированной разработке угольного месторождения;

- прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива при отработке подкарьерных запасов угля шахты Нуйбео;

- разработка методики расчета смещения вмещающих выработку пород с учетом их разрыхления;

- обоснование рациональных типов и параметров крепи капитальных выработок шахты Нуйбео.

Методы исследований: В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки угольных месторождений; геологических материалов месторождения Нуйбео; натурных исследований смещения пород вокруг капитальных выработок шахт угольного бассейна Куангнинь; численное моделирование геомеханических процессов в вмещающем выработку горном массиве.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Установлены закономерности формирования напряженно-деформационного состояния пород вокруг капитальных выработок в подкарьерном массиве, вызванные открытой разработкой угольного пласта.

Выявлены закономерности изменения смещения пород в окрестности выработки с учетом предельного состояния и разрыхления вмещающего горного массива.

Защищаемые научные положения:

1. Прогноз напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок при подземной разработке подкарьерных запасов угля должен учитывать наличие карьера, зона влияния которого по вертикальному направлению составляет 320 м, в плане 120 м, что уменьшает напряжения в подкарьерном горном массиве.

2. При прогнозе напряженно-деформированного состояния пород вокруг капитальных выработок необходимо учитывать наличие области предельного состояния, параметры которой зависят от физико-механических характеристик пород, глубины заложения и месторасположения выработок относительно карьера.

3. Тип и параметры крепи капитальных выработок принимаются на основе прогноза напряженно-деформированного состояния пород и смещения контура выработки, величины которых определяются категорией устойчивости породы и ее разрыхлением (дилатансией).

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг капитальных выработок при отработке подкарьерных запасов угля;

- обоснованы рациональные типы и параметры крепи капитальных выработок в зависимости от категории устойчивости горных пород.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается использованием реализованного в рамках сертифицированного программного комплекса современного численного метода конечных элементов Simulia Abaqus;

натурными наблюдениями за величинами перемещения контура выработок угольного бассейна Куангнинь; согласованностью результатов расчета аналитических и натурных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений, на заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами Национального минерального - сырьевого университета "Горный".

Научная и практическая ценность

Результаты исследования могут быть использованы для обоснования параметров крепи капитальных выработок, при отработке подкарьерных запасов угля месторождения Нуйбео, а также при разработке пластов с аналогичными условиями на шахтах угольного бассейна Куангнинь.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы, из них 2 в сборниках, рекомендованных ВАК Министерства образованием и науки РФ.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в разработке конечно-элементных моделей; в проведении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в анализе натурных исследований деформирования пород вокруг выработок; в обосновании типов и параметров крепи горных выработок; в разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости капитальных выработок в условиях угольного бассейна Куангнинь.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 76 наименований, 62 рисунка и 32 таблицы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ОБЗОР КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1.1 Общие положения по комбинированным технологиям отработки месторождений полезных ископаемых

В мире в настоящее время существуются более двух тысяч месторождений, разрабатываемых комбинированным способом. На последний 10 лет их количество увеличилось практически в 1.5 раза. Это факт связан в большинстве своем с достижением карьерами запредельных глубин и необходимостью перехода на подземный способ для отработки запасов глубоких горизонтов. Интеграция достоинств комбинированных технологий в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях обеспечивает технологическую совместимость разных способов разработки месторождений и повышает эффективность горных ра-бот[38,63,70].

Положительный опыт комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых имеется в США, Канаде, Швеции, Австрии. В странах СНГ в настоящее время по комбинированной технологии отрабатываются более 40 месторождений [63].

Комбинированные разработки разделяются на три основные группы в зависимости от очерёдности открытых и подземных работ и степени их совмещения [2]: в первой отработка вначале ведётся открытым способом, затем подземным, во второй - наоборот, в третьей - открытым и подземным способами одновременно.

Комбинированная разработка в первом варианте вначале ведётся открытым способом, затем подземным, применяется на мощных пластов или залегающих на небольшой глубине месторождениях. Границы перехода с открытых на подземные работы определяются [2]: по критерию равенства текущего коэффициента вскрыши - граничному (по В. В. Ржевскому); по критерию получения максимальной прибыли при отработке всего месторождения тем или другим способом (по Б.

П. Юматову); по критерию равенства суммы первоначального и усреднённого эксплуатационных коэффициентов вскрыши - граничному (по А. И. Арсентьеву). Вследствие того, что в процессе эксплуатации месторождения происходит постоянное совершенствование техники и технологии горных работ (следовательно, снижаются затраты на разработку), а цены на сырьё иногда увеличиваются, происходит пересмотр границ открытых разработок и периодическая реконструкция карьеров с целью увеличения их глубины. При высоких темпах углубления горных работ, когда прогресс техники и технологии не успевает обеспечить увеличение эффективности открытой разработки, переходят на подземную разработку месторождения.

Комбинированная разработка в последовательности - подземная, а затем открытая разработка - широко используется, когда разработка месторождения велась системами с оставлением целиков, в зонах с сильными геологическими нарушениями. В некоторых случаях переход с подземных работ на открытые обусловливается повышенной пожароопасностью. В большинстве случаев целесообразность применения этого варианта комбинированных разработок определяется в результате технико-экономических расчётов при увеличении спроса на сырьё и повышении эффективности открытых разработок в конкретных условиях. Особенность условий открытой разработки месторождений после подземных горных работ заключается в возрастании опасности обрушений в подземных выработках, увеличенной трещиноватости массива в зонах сдвижения горной породы, вызванной подземными горными работами, в разрушении целостности массива горной породы в зонах обрушения и др. Мероприятиями по ведению открытых горных работ в опасных зонах предусматриваются: тщательный учёт всех подземных горных выработок, опережающее взрывное обрушение потолочин камер или закладка их горных пород через скважины, нарезка рабочих горизонтов на карьере с учётом уровня горизонтов подземных горных работ и т.п.

Одновременная разработка открытым и подземным способами применяется в случаях, когда имеется возможность добавления к преобладающим объёмам бедных руд, добываемых в процессе открытых горных работ, руд с большим со-

держанием полезного компонента, получаемых из той же залежи при шахтной добыче (т.н. совмещение по вертикали); при сложных рудных телах, заложив в бортах карьера вскрывающие выработки, можно осуществить подземную добычу полезных ископаемых в зонах, эффективных для открытых горных работ (совмещение по горизонтали).

1.1.2 Краткие сведения о разработке угольных месторождений в угольном бассейне Куангнинь

В настоящее время запасы угля Вьетнама концентрируются в районах Ку-ангнинь и равнине Красной реки; в других районах запасы угля невелики. В настоящее время основные запасы угля разрабатываются в раойне Куангнинь.

Во Вьетнаме распространены два основных способа разработки угольных месторождений: открытый и подземный. В районе Куангнинь существует 5 крупных карьеров: Као Шон, Део Най, Кок Шау, Нуйбео и Ка Ту.

Куангнинь - это северо-приморский район, протяженный от провинции Донг Чие до провинции Монг Кай. Куангнинь имеет малую ширину (в среднем 15-20 км), рельеф преимущественно горный. Куангнинь имеет большую плотнось

Л

населения (1600 тыс чел./км ) и является туристическим центром Вьетнама.

Нуйбео - один из самых крупных карьеров во Вьетнаме с промышленной мощностью 5 млн.т/год. Этот карьер находится в центре города Налонг-Куангнинь и рядом с заливом Налонг, поэтому проблема по охраны окружающей среды является крайне важной.

По плану до 2015 года должна закончиться разработка угля открытым способом в городе Налонг. С другой стороны отработка Нуйбео затрудняется из-за нехватки места на отвал горных пород при разработке карьера; в настоящее время все отвалы находятся вперемежку с населенными пунктами и нет возможности создать крупные отвалы. На существующих отвалах неоднократно возникали оползни. В связи с этим, основной задачей на сегодняшний день является поддержание промышленной мощности карьера Нуйбео при отсутствии значительного влияния на окружающую среду.

Решением данной проблемы может послужить переход на альтернативый способ разработки месторождения, то есть переход с разработки открытым способом на разработку подземным способом, поскольку под карьером имеется значительный балансовый запас угля (70-80 млн.т). Отсюда возникают многие задачи, которые необходимо решить. Обоснование параметров крепи при подземном способе отработки прибортовых запасов угольных месторождений является актуальной задачей не только для шахты Нуйбео, но и для многих шахт угольного бассейна Куангнинь.

1.2 АНАЛИЗ РАБОТ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И КРЕПЛЕНИЮ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

1.2.1 Критерии устойчивости незакрепленных выработок

В настоящее время критерии устойчивости обнажений разделяются на две группы:

К первой группе относятся критерии, основанные на прочностном расчете устойчивости, то есть на оценке их прочности [10]. На этом основании, известные критерий устойчивости породы по Заславскому Ю. З. имеет вид [18]

К = , (1.1)

сж

где Н- глубина расположения выработки; у - удельный вес пород; Ксж - предел прочности пород на сжатие.

В зависимости от значения коэффициента К3, породы разделяют на 3 категории пород по устойчивости (таблица 1. 1)

Ко второе группе относятся критерии, основанные на деформационном подходе, то есть оценка устойчивости производится по величине деформаций или перемещений контура выработок [37,51,52].

По СНиП 94-80 [55] для оценки устойчивости массива вокруг горизонтальных выработок приняты смещения контура выработки за весь срок службы при

отсутствии крепи (таблица. 1.2). В зависимости от величины ожидаемых смещений контура выработки выделяют четыре категории устойчивости пород.

Таблица 1.1 - Категория устойчивости пород по Заславскому Ю. З.

Состояние пород Значение параметра К3

Пологое падение Кругое падение

Устойчивое Менее 0,25 Менее 0,3

Средней устойчивости От 0,25 до 0,4 От 0,3 до 0,45

Неустойчивое Более 0,4 Более 0,45

Таблица 1.2 - Категория устойчивости породы по величине смещения ( СНиП -94-80)

Смещения и, мм

Категория устойчивости пород Оценка состояния устойчивости пород осадочные породы (песчаники, алевролиты, аргиллиты, известняки, уголь и др.) изверженные породы (граниты, диориты, порфириты и др.) соляные породы каменная соль, сильвинит, кар-налит и др.)

I Устойчивое До 50 До 20 До 200

II Среднеустой-чивое Свыше 200 50 до Свыше 100 20 до Свыше 300 200 до

III Неустойчивое Свыше 500 200 до Свыше 200 100 до Свыше 500 300 до

IV Сильно неустойчивое Свыше 500 Свыше 200 Свыше 500

Выбор типов крепи и расчет ее параметров для пород по категориям II, III, IV должен производиться на основе расчета ожидаемых смешений пород и нагрузок на крепь.

1.2.2 Анализ методов оценки напряженно-деформированного состояния массива вокруг горизонтальных выработок

Управление состоянием массив, поддержание горных выработок в устойчивом состоянии и безопасная их эксплуатация требует более широкого изучения напряженно-деформированное состояние массива при проведению горных работ. При прогнозировании параметров зоны неупругих деформаций необходимо учесть как можно больше горно-геологических факторов, влиящих на оценку напряженно-деформированного состояния массива.

Массив горных пород в естественном состоянии находится под действием гравитационных сил, которые возрастают при увеличении глубины элемента массива. Кроме этих сил, в массиве в разной степени действуют силы, связанные с тектоническими процесса, протекающими в земной коре. В зонах с активным характером эти силы достаточно велики в сравнений с гравитационными силами. Наоборот, в спокойных участках тектонические силы можно пренебречь.

При проведении горных выработок с точки зрения механики нарушается первоначальное естественное состояние массива горных пород. Действующие силы в массиве горных пород получили название горного давления. Одной из самых распространенных видов проявления горного давления является разрушение массива горных пород вблизи контура выработки. В результате чего происходит обрушение значительного объема измельченных горных пород в выработанное пространство [47].

Для сохранения устойчивости выработок и безопасности ведения горных работ необходимо более корректно определить горное давление или действующую нагрузку со стороны кровли выработок. Определение горного давления вокруг пройденной горной выработки является основной проблемой исследователей в механике подземных сооружений, так как за счет определения нагрузки выбира-

ется рациональный вид, и параметры горной крепи, которая в свою очередь обеспечивает безопасность ведения горных работ.

По мнению М.М. Протодьяконова и М.П. Цимбаревича в кровле горной выработки образуется свод естественного равновесия, очертание которого близко к форме параболы. Данная гипотеза применима для слабых горных пород. Рассматривается, что породы в своде естественного равновесия находятся в разрушенном состоянии, т.е. размещаются в пределах зон неупругих деформации. В этой области горные породы теряют прочность и по своим свойствам приближаются к сыпучей среде, и тем самым, на крепь горной выработки действует давление от веса горных пород, заключенных в пределах свода естественного равновесия (рисунок

1.1).

45°-р/2

8

Рисунок 1.1 - Свод естественного равновесия

Высота свода находится по формуле:

(1.2)

где Ь = В + 2htg(450 - Р), м

h - высота выработки (м); В- пролет выработки (м); р - угол внутреннего трения сыпучей породы (градуса); / - коэффициент крепости по М.М Протодьяконову.

В настоящее время более современным подходом к решению задач геомеханики можно считать определение напряжений вокруг выработки и сравнение данных напряжений с прочностными характеристиками вмещающих пород.

Классическая расчетная схема приведена на рисунке 1.2 [47]

Рисунок 1.2 - Расчетная схема: у - удельный вес; X - коэффициент бокового распора

Аналитические методы расчета параметров напряженно- деформированного состояния и устойчивости горных пород вблизи выработок дают хорошие результаты только лишь при круглой и эллиптической форм сечения. На практике используют другие более сложные формы выработок. При сложных формах

сечения выработки (арочная, трапециевидная) аналитические методы требуют более сложных расчетов, которые решаются путем численных методов моделирования с применением прикладных компьютерных программ [1].

На основании сведения о напряженно-деформированном состоянии и размеров зон неупругих деформаций формируются основные задачи геомеханики.

1.2.3 Классификация геомеханических моделей породных массивов

В зависимости от характера деформирования массива, отраженного в виде связей между напряжениями и деформациями, геомеханические модели сплошного массива можно разделить на пять классов [47]: упругие, жескопластические, упругопластичекие, вязкоупругие и вязкопластические.

Упругие модели массива - это линейная связь между напряжениями и деформациями, выраженная законом Гука

Жесткопластические модели массива- на основе теории прочности Кулона -Мора

гс = К + (1.3)

где К - сцепление, с - максимально главное напряжение, р- угол внутреннего трения.

Жесткопластическая модель предполагает, что основная нагрузка на крепь действует за счет неупругих деформаций пород. Жесткопластическая модель наиболее применимы для сыпучих и сильнотрещиноватых горных пород.

Упругопластические модели применяются, когда в массиве горных пород с ростом напряжений имеют место вначале упругие деформации, а по достижению условия (1.3) имеет место предельное состояние пород.

Огибающая наибольших кругов обуславливает предельное состояние горных пород. Для описания огибающей были предложены различные нелинейные зависимости, которые называются условием пластичности или условием предельного состояния. Горные породы переходят в предельное состояние, когда наибольшее касательное напряжения достигает огибающей кругов напряжения.

1.2.4 Анализ существующих методов определения нагрузки на крепь горизонтальных выработок

В настоящее время существуют множество методов определения нагрузки на крепь горных выработок. При расчете горного давления (нагрузки на крепь) учитывают три возможных режима взаимодействия крепи и породного массива:

1- Режим заданной нагрузки

Для данного режима, в зависимости от конкретных условий выработки нагрузка может формироваться от веса пород в объеме локальных вывалов, свода обрушения или веса всей толщи пород на сооружение. Нагрузка на крепь определяется по формуле

Р = гК, (1.4)

где Ин - высота зоны нарушения пород; у - плотность нарушенной породы.

2- Режим совместного деформирования массива и крепи

Л

Рисунок 1.3 - Зависимости нагрузки Р на крепь от и и пород ио

1- радикальные смещения породного контура выработки; 2,3- радикальные смещения внешнего контура крепи под нагрузкой Р

Величина нагрузки на крепь определяется из уравнения совместности смещений породного контура и контура крепи, предложенного Ф.А. Белаенко [3]

и = ио + и(р), (1.5)

где и -смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив».

ио - начальные смещения породного контура до момента ввода крепи в работу.

и - смещения внешнего контура крепи к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив».

ир = и + и2 + и3(р) , (1.6)

где и - смещение за счет деформаций уплотнения забутовочного материла, там-понажного раствора; и 2 - смещение от закрытия конструктивных зазоров в крепи; из (р) - смещение, определяемое жесткостью конструкции крепи. 3-Режим заданной деформации

На данном режиме величина нагрузки определяется по деформации без учета сопротивления крепи по СНиП 11-94-80 [55]

Р = кпкнтвРН, (1.7)

где Рн -нормативная нагрузка на крепь, определяемая по графику рисунка 1.4 в зависимости от смещений ио;

к - коэффициент перегрузки; к - коэффициент, принимаемый для главных вскрывающих выработок равным 1,1 ; для остальных -1; тв - коэффициент условий проведения выработок.

Рисунок 1.4 - График для определения нормативной нагрузки на крепь

1.3 АНАЛИЗ ТИПОВ КРЕПЕИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕИЯ.

1.3.1 Общие положения

Подземные горные выработки должны в течение заданного срока службы сохранять устойчивое состояние, при котором форма и размеры выработки не выходят за допустимые пределы. Для обеспечения устойчивости выработок используют разные методы охраны, крепления и поддержания. При этом в каждой группе имеются различные способы и варианты, оптимальная комбинация которых может обеспечить устойчивость выработки при минимальных трудовых и материальных затратах. Рациональным следует признать вариант, при котором наряду с заданными технико-экономическими показателями обеспечивается высокая производительность и хорошие условия труда, удовлетворяются требования охраны окружающей среды и правила безопасности ( материальный и конструкции).

Для выбора эффективного метода обеспечения устойчивости горных выработок необходимо на базе геомеханики вначале составить надежный прогноз состояния устойчивости незакрепленных обнажений пород в выработках и ожидаемых форм проявления горного давления в них. С учетом этого следует отобрать

для сравнения несложные методы охраны и рациональные конструкции крепи и определить количественные параметры горного давления и крепи в рассматриваемых условиях.

Металлические рамные крепи - наиболее распространенный вид крепи горизонтальных и наклонных горных выработок. В угольном бассейне Куангнинь, металлическими крепями было закреплено 80,2% общей протяженности всех поддерживаемых горных выработок [54].

Металлическая крепь широко применяется за счет высокой прочности, долговечности, огнестойкости и многообразия. Металлическая крепь преимущественна в виде арок, колец, трапециевидных и бочкообразных рам, изготавливаемых и стальных прокатных профилей СВП, двутавров обычного типа или широкополочных. Соединения элементов крепи между собой бывают жесткие, шарнирные, податливые, или шарнирно-податливые, вследствие чего могут быть получены крепи с разными конструктивными схемами и деформационно-силовыми характеристиками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Куанг, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975. - 144с.

2. Атрушкевич В.А., Приставка А.Г., Данильченко В.Н. Способ оптимизации совмещения открытых и подземных работ // Перспективы развития горнодобывающей промышленности/ IV Междунар. Научно-практ. Конф. СибГГМА.- Новокузнецк, 1997. - с 196-198.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. - М.: Недра, 1992. - 543 с.

4. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.:Недра, 1988. - 271 с.

5. Баклашов И.В. Геомеханика. Том 1. Основы геомеханики. - М.: МГГУ, 2004. - 208 с.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А., Шашенко А.Н., Борисов В.Н. Геомеханика. Том 2. Геомеханические процессы. - М.: МГГУ, 2004. - 221 с.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

8. Бокий Б.В., Смирняков В.В. Проведение и крепление горных выработок. - М.: Госгортехиздат, 1963. - 558 с.

9. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980. -360 с.

10. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. - М.: Недра, 1989.- 270 с.

11. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов, М.: недра, 1982. - 270 с.

12. Былычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. - М.: Недра,1974. - 320 с.

13. Ван Куанг Нгуен. Прогноз напряженного состояния массива при отработке подкарьерных запасов угля на шахте «Нуйбео» (Вьетнам). // Записки горного института, СПБ 2014г., T. 207, с. 226 - 230.

14. Григорьев В.Л. Исследование устойчивости капитальных выработок на глубо-ких горизонтах. / В.Л. Григорьев. - М.: ЦНИЭИуголь, 1976. - 145 с.

15. Данильченко В.Н., Сенкус В.В. Исследование влияния открытых работ на устойчивость подземных горных выработок. // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых. /II Междунар. Конф./ Сиб ГГМА.- Новокузнец, 1997. - с 52-54.

16. Джапаридзе Л.А. Расчет крепи протяженных горных выработок по предельным состояниям. - М.: Недра, 1991. - 205 с.

17. Ерофеев Л.М., Мирошникова А.А., Расчет крепей горных выработок. -М.: Недра, 1984. - 325 с.

18. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений. -М.: Недра, 1979. - 325 с.

19. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. - М.: ИЛ., - 1968. - 240 с.

20. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е перераб.доп. СПБ.: ВНИМИ, 1991. - 250 с.

21. Исследование способов обеспечения устойчивости горных выработок в слабых породах и больших давлениях в угольных шахтах Куангнинского бассейна. Ханой: ХИГНиТ. 2008. - 185 с.

22. Каретников В.Б., Клейменов В.Н., Каретников В.Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. - 571 с.

23. Каркашадзе Г.Г., Механическое разрушение горных пород. - М.: Издательство московского государственного горного университета, 2004. - 223 с.

24. Картозия Б.А. Строительство горных выработок в сложных горногеологических условиях. Справочник. - М.: Недра, 1992. - 320 с.

25. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. - М. 2001. - 160 с.

26. Картозия Б.А., Федунец Б.И., Шуплик М.Н., Корчак А.В. И др. Шахтное и подземное строительство. Том 1. - М. 2001. - 606 с.

27. Картозия Б.А., Федунец Б.И., Шуплик М.Н., Корчак А.В. И др. Шахтное и подземное строительство. Том 2. - М. 2001. - 576 с.

28. Катков Г.А. Измерение нагрузок на крепь горных выработок.-М.:Недра, 1969. - 136 с.

29. Компанейцев А.Ю. Обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях. Шахты/ЮРГТУ. 2005. - 219 с.

30. Кузнецов Г.Н., Ардашев И.А., Филатов и др. Методы и средства решения задач горной геомеханики. М.: Недра, 1987. - 248с.

31. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Филиппова А.А и др. Изучение проявлений горного давления на моделях. М.: Углетехиздат, 1959. - 232с.

32. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. - М.: Наука, 1969. - 112 с.

33. Литвинский Г.Г., Фесенко Э.В., Емец. Е.В. Расчет крепи горных выработок на ЭВМ. Алчевск, 2011. - 176.

34. Литвинский. Г.Г. Основы горной геомеханики том 1.- Алчевск, 2012. -313 с.

35. Матвеев А.В., Луговской Ю.Н., Очкуров В.И., Максимов А.Б. Рациональные параметры поддерживающей крепи горизонталь-ных выработок. Записки Горного института. - СПб.: СПГГИ (ТУ). - 2006. -Т. 168. - с. 191-195.

36. Методы и приборы наблюдения смещения массива горных пород вокруг горной выработки. Ханой: ХИГНиТ. 2005. - 30 с.

37. Мозер С.П., Куртуков Е.Б. Горная геомеханика: физические основы и закономерности проявлений геомехнических процессов при подземной разработке месторождений.- СПБ.: Недра, 2009. - 136с.

38. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых,- М.: Недра, 1988. - 231с.

39. Потапенко В.А. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах / Потапенко В.А., Казанский Ю.В. и др. - М.: Недра, 1990. - 336 с.

40. Правила безопасности в угольных шахтах. Самара: Самар. Дом печати, 1995. - 242с.

41. Правила техники и безопасности при разработке подземных шахт угля и сланца ТСК-14-06-2006. Ханой, 2006. - 391 с.

42. Правила техники разработки подземных шахт угля и сланца 18-ТСК-5-2006. Ханой, 2006. - 146 с.

43. Проектстроительства и разработки шахт месторождения Хэтам-Куангнинь, Ханой: ОАО ИОШиП2006 г. - 352 с.

44. Протосеня А.Г. Прогнозирование перемещений массива вокруг горных выработок с учетом разрыхления пород в пластической зоне / А.Г. Протосеня. - Шахтное строительство, 1977. - №7. - с. 17-19.

45. Протосеня А.Г., Жихарев С.Я., Долгий И.Е.. Геомеханика массивов и устойчивость подготовительных выработок. СПБ, 2004.- 239 с.

46. Протосеня. А.Г, Карасев М.А. Геомеханика подземных сооружений. Санкт-Петербург, 2013. - 113 с.

47. Протосеня. А.Г, Тимофеев.О.В. Геомеханика. Санкт-Петербург, 2008. -117 с.

48. Протосеня А.Г., Нгуен Ван Куанг. Прогноз предельного состояния пород вокруг выработок в условиях угольного бассейна Куангнинь. // Горный журнал, известия высших учебных заведений, Екатеринбург 2015г., Т6, с.23 -27.

49. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчеты крепи. - М., Стройиздат., 1983. - 272 с.

50. Сажин В.С. Определение области неупругих деформаций с учетом изменения сцепления породы. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - № 6. - 1976. - с. 93-95.

51. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. - М: Недра, 1992. - 224с.

52. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород, М: Недра, 1979. - 305 с.

53. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. - СПБ: Наука, 2001. - 343с.

54. Стратегия развития угольной промышленности Вьетнама на период 2010-2015 г. И на период 2020 г. Ханой, 2009. - 120 с.

55. СНиП II-94-80. Подземные горные выработки. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 31с.

56. Тимошенко С.П., Гудьер Д.Ж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. -576с.

57. Тимофеев О.В., Петров Д.Н. Материалы и конструкции крепей горных выработок, СПБ горный институт ,2009. - 109с.

58. Тимофеев О.В., Трушко В.Л., Прогноз и обеспечение устойчивости горизонтальных выработок глубоких горизонтов Северо-уральского бокситового рудника.// В кн.: Устойчивость и крепление горных выработок.-Л.: Изд. ЛГИ, 1984.- с.111.

59. Тимофеев О.В. Способы обеспечения устойчивости горных выработок.// В кн.: Записки ЛГИ. т. 67.-вып.// Современные проблемы горной науки.- Л., 1975. - с.161-165.

60. Типовые сечения горных выработок в угольных шахт СРВ. Куангнинь: 2002. - 95 с.

61. Трубецкой К.Н. О совместном вскрытии карьерного и шахтного полей при комбинированной разработке месторождений// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - Новосибирск, 1968. -№4. - с 58-63.

62. Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Виницкий К.Е. и др. Справочник. Открытые горные работы. - М.: Горное бюро, 1994. - 590с.

63. Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Винницкий К.Е. Справочник. Открытые горные работы - М: Горное бюро, 1994. - 590 с.

64. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Л.: ВНИМИ, 1986. - 222с.

65. Устойчивость и крепление горных выработок. Крепление и поддержание гор-ных выработок в сложных горно-геологических условиях. Межвуз. сб. науч. тр. - СПб.: СПГГИ, 1994. - 145 с.

66. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. -М.: Недра, 1987. - 224 с.

67. Франкевич Г.С. Обоснование параметров и разработка крепей капитальных горных выработок с управляемой несущей способностью: - Дисс. Д-ра техн. наук/МГГУ. -М., 1998. - 399 с.

68. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. -М.:Недра, 1981. - 381 с.

69. Широков А.П., М.А. Дзауров и др. Анкерная крепь. М.: Недра, 1990. -205 с.

70. Шнайдер М.Ф., Вороненко В.К. Совмещение подземных и открытых разработок рудных месторождений.- М: Недра, 1985. - 132 с.

71. Brady, B.H.G. and Brown, E.T. Rock mechanics for underground mining. London: Allen and Unwin. 1985.

72. Barton N, Lunge J. Rock Mechanics. - Vol, 6/4. -1974.

73. Hoek, E., and Brown, E.T. 1980. Underground excavations in rock. London: Instn Ming. Metall.

74. Quang.N.V. Solution for opencast and underground simultaneous mining at Khe Cham II-IV coal mine in Viet Nam.// International University of Resources -Scientific Reports on Resource Issues 2014 Volume 1, c. 172-176.

75. Rocscience Inc. (2009), Roclab 1.0 Tutorial.

76. Rocscience Inc. (2006-2011), Phase2 Tutorial.