Методика расчета напряженно-деформированного состояния соляного массива при совместной отработке калийных горизонтов на затухающей стадии выемки запасов шахтного поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Беспалов, Леонид Александрович

• Беспалов, Леонид Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беспалов, Леонид Александрович

Введение.

Глава 1. Обоснование методов моделирования НДС массива горных пород для условий Старобинского месторождения калийных солей.

1.1. Специфика отработки калийных пластов в горно-геологических условиях Старобинского месторождения.

1.2. Особенности технологии отработки запасов месторождения.

1.2.1. Технология отработки калийных пластов при системах разработки короткими забоями.

1.2.2. Технология отработки калийных пластов при системах разработки длинными столбами.

1.2.3. Технология отработки калийных пластов при комбинированной системе разработки.

1.3. Обзор исследований, посвященных моделированию НДС массива горных пород.

1.4. Обзор применения средств численного моделирования к решению практических задач горной геомеханики.

1.4.1. Метод конечных элементов (МКЭ).

1.4.2. Метод граничных элементов (МГЭ).

1.4.2.1. Основные понятия и история МГЭ.

1.4.2.2. Непрямой вариант МГЭ - метод фиктивных нагрузок.

1.4.2.3. Метод граничных интегральных уравнений.

1.5. Цели и задачи исследований.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Формирование геомеханической модели горного массива на завершающей стадии отработки запасов шахтного поля.

2.1. Физико-механические свойства массива Старобинского месторождения

2.2. Анализ условий формирования сил отпора в выработанных пространствах лав.

2.3. Рекомендуемые геомеханические модели горного массива.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Численное моделирование процессов напряженно-деформированного состояния горного массива на завершающей стадии отработки запасов шахтного поля.

3.1. Горно-геомеханическая модель и ее основные параметры.

3.2. Результаты численного моделирования.

3.2.1. Компоненты тензора напряжений.

3.2.2. Компоненты вектора перемещений.

3.2.3. Компоненты тензора деформаций.

3.3. Влияние выработанных пространств на напряженно деформированное состояние соляного массива на затухающей стадии отработки рудника.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Анализ и сопоставление натурных и экспериментальных данных, полученных на рудниках РУП ПО "Беларуськалий".

4.1. Натурные данные исследований параметров напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности подготовительных выработок, полученные на РУП ПО "Беларуськалий". 96 4.2. Анализ натурных и экспериментальных данных и их сопоставление с реультатами численного моделирования.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета напряженно-деформированного состояния соляного массива при совместной отработке калийных горизонтов на затухающей стадии выемки запасов шахтного поля»

Разработка соляных месторождений имеет существенные отличия от разработки месторождений других полезных ископаемых, например каменных углей. Это связано, прежде всего, с тем, что в соляные рудники недопустимо проникновение пресных вод с поверхности, ненасыщенных растворов солей, из которых состоят породообразующие минералы, а также насыщенных растворов по другим компонентам. Таким образом, имеет место значительное влияние гидрогеологических условий на технологию отработки соляных месторождений. Например, на Верхнекамском месторождении могут быть отработаны не все пласты, отвечающие промышленным кондициям [37]. Старобинское месторождение имеет, в свою очередь, благоприятные гидрогеологические условия, что позволяет применять выемку руды с использованием технологий типичных для угольных месторождений. Необходимо принять во внимание то, что при отработке месторождений калийных солей скопился значительный негативный опыт, заключающийся в значительной доле затопленных рудников (например, в Германии за время существования калийной промышленности было затоплено 81 рудник из 254, т.е. 32% [3]). Проникновение вод в рудник является результатом создания гидравлической связи между выработками рудника и водоносными горизонтами покрывающей толщи. Это происходит вследствие создания системы водопроводящих трещин, что в свою очередь является результатом недопустимых деформаций соляной толщи.

Распределение мировых запасов калийных солей по странам представлено на рис. 1. Следует отметить, что производство хлористого калия сосредоточено всего в 13 странах мира, причем на долю крупнейших 2 производителей - Канады, России, и Республики Беларусь приходится — общемирового производства и 85 % мировых запасов калийных солей. Добыча калийных солей сопряжена со значительными капиталовложениями, так, по оценкам мирового лидера Potash Corporation строительство нового рудника мощностью около 2 млн. т. хлористого калия в год обойдется примерно в 2 млрд. USD и потребует 5-7 лет строительства [83].

Канада 38%

Россия 33%

Другие китаи 11%

3% , Германия \

6%

Белоруссия 9%

Рис. 1. Распределение мировых запасов калийных солей

Мировое производство хлористого калия (по компаниям) показано на диаграмме (рис. 2). Из нее видно, что РУП ПО "Беларуськалий" является одним из основных лидеров по производству хлористого калия, на долю которого приходится 15 - 16 % его производства.

Производство KCl. млн г. 2005 ■ 2006

Рис. 2. Распределение мировых объемов производства хлористого калия

Актуальность темы диссертации.

Неотъемлемой чертой отработки месторождений калийных солей является необходимость сохранения целостности водозащитной толщи (ВЗТ) и, как следствие этого, сравнительно низкий коэффициент извлечения полезного ископаемого (как правило, 0,4 - 0,55). Поэтому, в настоящее время очень важной, практически значимой, задачей является увеличение коэффициента извлечения полезного ископаемого до обоснованного предела, позволяющего обеспечить безопасность ведения горных работ и предотвратить проникновение вод и рассолов в рудники. Отметим и тот факт, что с ростом объемов добычи калийных солей на стадии затухания горных работ наиболее существенным становится влияние выработанных пространств на состояние подготовительных и очистных выработок. В настоящее время на рудниках РУП ПО "Беларуськалий" принята одновременная отработка на двух калийных горизонтах выемочных столбов лав, находящихся непосредственно один над другим (на Втором и Третьем калийных горизонтах), что может также негативно сказаться на состоянии несущих элементов соляного массива. Так как значительная часть запасов калийных солей рудников уже отработана, а намеченные к выемке столбы часто соприкасаются со значительными по размерам выработанными пространствами, то возникают существенные проблемы горно-геомеханического характера, требующие своевременного научно-обоснованного решения.

Большой вклад в исследование вопросов разработки соляных месторождений внесен такими учеными, как Журавков М.А., Зубов В.П., Ковалев О.В., Красноштейн А.Е., Пермяков P.C., Полянина Г.Д., Проскуряков Н.М., Сиренко Ю.Г., Смычник А.Д. и т.д.

Однако, несмотря на значительное число работ, посвященных проблемам, возникающим при одновременной отработке нескольких горизонтов, особенно, на затухающей стадии отработки запасов, существующие в настоящее время методы и приемы математического моделирования механизма деформирования и разрушения вмещающих пород, не в полной мере адекватно описывают указанный процесс. Все это и обуславливает актуальность темы диссертации, а также структуру и содержание работы.

Цель диссертационной работы: обеспечение повышения извлечения полезного ископаемого при минимизации расходов на поддержание подготовительных выработок.

Идея работы: при определении основных параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов соляного массива следует использовать модифицированный вариант прямого метода граничных элементов

Основные задачи исследования: оценка существующих современных методов расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) вмещающих пород при совместной выемке нескольких горизонтов соляных пластов; обоснование выбора геомеханической модели, адекватной по свойствам к поведению реального массива соляных пород;

• численное моделирование и определение основных параметров НДС соляного массива с использованием одного из вариантов прямого метода граничных элементов; учет влияния выработанных пространств и взаимовлияния выемочных горизонтов при одновременной работе лав непосредственно друг над другом. Методы исследований: анализ натурных и экспериментальных материалов по напряженно-деформированному состоянию соляного массива, полученных на рудниках РУП ПО "Беларуськалий", методы современного математического моделирования с разработанными автором алгоритмом и комплексом вычислительных программ модифицированного метода граничных элементов. Научная новизна работы:

• установлено влияние выработанных пространств на напряженно-деформированное состояние основных элементов соляного массива, прилегающих к отрабатываемым или намеченным к отработке частям запасов;

• обоснована горно-геомеханическая модель взаимовлияния ведения горных работ на Втором и Третьем калийных горизонтах в лавах, находящихся непосредственно одна над другой с учетом веса массива вмещающих пород.

Основные защищаемые положения:

1. При построении геомеханической модели прогноза параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов массива в случае одновременной отработки нескольких горизонтов, лежащих на значительном расстоянии друг от друга, необходимо учитывать собственный вес толщи массива горных пород.

2. На стадии затухания горных работ на рудниках Старобинского месторождения выемка полезного ископаемого должна вестись с учетом влияния выработанных пространств на состояние соляного массива.

3. При одновременной отработке нескольких горизонтов с ведением горных работ в лавах, расположенных непосредственно друг под другом, параметры их взаимного влияния необходимо определять на основе сопоставления результатов численного моделирования с данными натурных и экспериментальных измерений.

Практическая значимость работы:

• разработан алгоритм и математическая модель расчета основных параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов массива горных пород применительно к условиям Старобинского месторождения;

• результаты численного моделирования могут быть рекомендованы для использования при разработке рациональных схем выемки запасов калийных солей Старобинского месторождения на стадии доработки запасов.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечиваются разработкой геомеханической модели, адекватной по своим основным свойствам исследуемому массиву горных пород, удовлетворительной сходимостью полученных решений на основе разработанного и примененного метода численного моделирования, анализом натурных и экспериментальных данных и широким сопоставлением их как с полученными численными результатами, так и результатами, полученными по другим методикам и другими авторами. Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях молодых ученых в 2005-2009 гг. в СПГГИ (ТУ) им. Г.В.Плеханова, на II Всероссийской молодежной научно-практической конференции "Проблемы недропользования" (Екатеринбург, 2008 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, построении геомеханической модели процесса деформирования массива горных пород, вмещающего соляные пласты, создании вычислительной программы в среде МАТЬАВ для определения параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов исследуемого массива, реализующей прямой вариант метода граничных элементов, анализе натурных данных и сопоставлении их с результатами численного моделирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 83 наименований, 45 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Беспалов, Леонид Александрович

Выводы по главе 4

Размер зоны влияния подрабатывающей лавы на подрабатываемую лаву вычисляется по нормативным документам, принятым на РУП ПО "Беларуськалий" как горизонтальная проекция наклонной прямой, проведенной от забоя нижней лавы, под углом сдвижения 65° до пересечения с подработанным горизонтом.

Влияние движущегося забоя лавы на деформирование контура (смещение кровли, конвергенция стенок) подготовительных выработок в районе замерных станций в наибольшей мере сказывается на расстоянии 150250 м. На большем расстоянии до забоя лавы такая зависимость визуально практически не отмечается.

Установлено, что при расположенных на Втором и Третьем горизонтах и догоняющих одна другую лав, влияние догоняющей лавы нижнего горизонта на догоняемую лаву по верхнему горизонту может сказаться на расстоянии между ними менее 200 м. При этом параметры зоны опорного давления верхней лавы увеличиваются на 20%.

Натурные данные позволяют учесть динамику процесса деформирования, что является необходимым для обеспечения безопасных параметров поддержания подготовительных выработок. В то время как результаты численного моделирования позволяют сделать прогноз параметров напряженно-деформированного состояния на значительных по размерам областях шахтного поля для выявления потенциально опасных участков, где и необходимо производить натурные измерения.

Заключение

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной геомеханической задачи по определению влияния выработанных пространств на напряженно-деформированное состояние ответственных элементов соляного массива в окрестности подготовительных выработок, а также взаимного влияния ведения горных работ при одновременной выемке калийных пластов на нескольких горизонтах (в том числе, и на затухающей стадии отработки запасов шахтопластов) непосредственно лавами одна над другой.

Выполненные задачи исследования позволяют сделать следующие научные и практические выводы:

1. Обоснован выбор геомеханической модели процесса деформирования и разрушения вмещающих пород при одновременной выемке нескольких горизонтов соляных пластов, в том числе, и на затухающей стадии отработки запасов шахтопластов.

2. Получена геомеханическая модель (несимметричный случай) расчета НДС массива горных пород, вмещающего калийные пласты, с учетом собственного веса последнего.

3. Разработаны алгоритм и комплекс вычислительных программ, реализующие прямой вариант метода граничных элементов.

4. Произведены расчеты параметров напряженно-деформированного состояния ответственных элементов массива соляных пород на основе разработанной вычислительной программы прямого варианта метода граничных элементов.

5 Произведено сопоставление результатов численного моделирования с натурными данными шахтных измерений полученных на рудниках ПО"Беларуськалий".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Беспалов, Леонид Александрович, 2010 год

1. Агошков М.И., Малахов Г.М. Подземная разработка рудных месторождений. М.: Недра, 1966.

2. Амусин Б.З. Методы конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975.

3. Андреичев А.Н. Разработка калийных месторождений. М.: Недра, 1966.

4. Андреичев А.Н., Нудельман А.Б. Добыча и переработка калийных солей М.: Госхимиздат, 1960.

5. Ануфриев И.В., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7. СПб.: БХВ Петербург, 2005.

6. Атлури С. Вычислительные методы в механике разрушения. М.: Мир, 1990.

7. Баклашов И.В. Геомеханика. М.: 2004, т.1.

8. Баклашов И.В. Геомеханика. М.: 2004, т.2.

9. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести М.: Высшая школа, 1961.

10. Ю.Белов Б.Н. Добыча и переработка калийных солей. М.: Недра, 1971.

11. П.Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир 1984.

12. Блохин C.JI. Обоснование эффективных схем многогоризонтной отработки калийных руд Старобинского месторождения. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. СПб.: 2005.

13. З.Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.

14. Бреббия К., Телес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов JL: Мир, 1987.

15. Бурчаков A.C., Гринько А.К., Дорохов Д.Ф. Технология подземной разработки пластовых месторождений. М.: Недра, 1993.

16. Бурштейн Л.С. Теория упругости, пластичности и ползучести в горном деле. М.: Недра, 1976.

17. Валяшко М.Г. Закономерности формирования месторождений калийных солей М.: Изд. МГУ, 1962.

18. Высоцкий Е.А., Желнин A.A., Здановский А.Б., Кашкаров О.Д., Пермяков P.C., Соколов И.Д., Титков С.Н. Галургия: Теория и практика. JL: Химия, 1983.

19. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н., Шклярский М.Ф. и др. Моделирование в геомеханике. М.: Недра, 1991.

20. Губанов В.А. Об опорном давлении на Старобинском месторождении калийных солей // Безопасность труда в промышленности. 1983, №4. -с.57-58.

21. Губанов В. А., Щерба В .Я., Поляков A.JI. Исследование механизма обрушения пород кровли на рудниках Старобинского месторождения // Горный журнал. 2004, №8. С.94-96.

22. Даугавет И.К. Теория приближенных методов. Линейные уравнения. -СПб.: 2006.

23. Джиноридзе Н.М. Геология калийных солей и их разведка. М.: Недра, 1973.

24. Динник А.Н., Моргаевский А.Б., Савин Г.Н. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок. В книге "Труды совещания по управлению горным давлением" Академиздат, 1938.

25. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 Основы программирования: Руководство пользователя. М.: 2002.

26. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее применение. Алма-Ата: Наука, 1964.

27. Журавков М.А. Математическое моделирование деформационных процессов в твердых деформируемых средах. Минск: БГУ, 2002 456 с.

28. Журавков М.А. Моделирование деформационных процессов по всей толще подработанного массива горных пород. /Журавков М.А., Смычник А.Д., Богдан С.И.// Горная механика. Солигорск: 2004 - № 3-4.-с. 19-30.

29. Журавков М.А. Механико-математическое моделирование механизмов проявлений в массивах горных пород очагов газодинамических явлений. /Журавков М.А., Кушунин A.A., Савенков В.А.// Горная механика. Солигорск: 2005 - № 3. -с. 15 — 21.

30. Иванов A.A., Левицкий Ю.Ф., Баязитов С.Х., Банченко М.С. Геология и формирование Старобинского месторождения калийных солей в Белоруссии. Вопросы геологии соляных местрождений. Труды ВСЕГЕИт. 68 Л.: 1961.

31. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. М.: Недра, 1969.

32. Карасев М.А. Геомеханическое обоснование размещения в подземном пространстве хранилищ радиоактивных отходов. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. СПб.: 2006.

33. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

34. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М.: Мир, 1987.

35. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. М.: Углетехиздат, 1947.

36. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975.

37. Михлин С.Г. Распределение напряжений полуплоскости с эллиптическим вырезом. Труды Сейсмологического института АН СССР, 1934. № 29.

38. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. т. 1 М.: 1954.

39. Некрасов C.B. Геомеханические условия формирования выбросоопасных зон при слоевой выемке сильвинитовых пластов. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. Пермь: 2007.

40. Нестеров М.П., Львова A.B. Основные закономерности процесса сдвижения земной поверхности на калийных месторождениях // Горный журнал. 1979, №5. С.52-55.

41. Нестеров М.П., Репина П.И. Исследование развития во времени зон нарушения сплошности покрывающих пород методом конечных элементов // Сдвижение земной поверхности и толщи на калийных месторождениях. Л.: 1977. - с 29-43.

42. Новожилов В.В. Теория упругости. Ленинград, Судпромгиз, 1958.

43. Партон В. Механика разрушения. М.: 1990.

44. Пермяков P.C. и др. Возможность применения систем разработки с обрушением кровли на Старобинском месторождении калийных солей // Пути снижения потерь при добыче калийных руд. Труды ВНИИГ. -Л., 1974-С.59-74.

45. Пермяков P.C., Ковалев О.В. Справочник по разработке соляных месторождений. М.: Недра, 1986.

46. Петровский Б.И., Щерба В.Я., Губанов В.А., Поляков А.Л., Зубович B.C. Развитие способов сохранения горных выработок на калийных рудниках // Горный журнал. 2003, №11. С.16-19.

47. Петухов И.М., Линьков A.M. Механика горных ударов и выбросов. М.: Недра, 1983.

48. Петухов И.М., Линьков A.M., Сидоров B.C. и др. Теория защитных пластов. М.: Недра, 1976.

49. Проскуряков Н.М. управление состоянием массива горных пород. М.: Недра, 1991.

50. Проскуряков Н.М. Исследование физико-механических свойств соляных пород Старобинского месторождения.- Проскуряков Н.М., Антонов A.A., Ливенский B.C. Записки ЛГИ. Л, 1972.

51. Проскуряков Н.М., Ковалев О.В., Мещеряков В.В. Управление газодинамическими процессами в пластах калийных руд. М.: Недра, 1988.

52. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. Л.: Недра, 1973.

53. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. ч.1 Государственное научно-техническое издательство, 1933.

54. Раевский В.И. Месторождения калийных солей СССР. М.: Недра, 1973.

55. Рац. М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970.

56. Руппенейт К.В. Механические свойства горных пород. М.: Углетехиздат, 1956.

57. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954.

58. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1975 223 с.

59. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.

60. Сиренко Ю.Г. Выбор рациональных технологических схем пересечения локальных выбросоопасных зон третьего калийного пласта /Ю.Г. Сиренко, A.A. Голицын // СПГГИ Записки горного института т. 167. Часть 1, 2006 с 106 108.

61. Слесарев В.Д. Механика горных пород. Углетехиздат, 1948.

62. Смычник А.Д., Морев А.Б. Технология и механизация горных работ на калийных рудниках Беларуси: Учебн. пособие. Мн.: УП Технопринт, 2002. - 200 с.

63. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992.

64. Степанов К.А. Угловые параметры сдвижения на Солигорских калийных рудниках // Механика горных пород при разработке месторождений природных солей. Л.: изд. ВНИИГ, 1974. Вып. 67.

65. Степанов К.А., Николаев Ю.Н., Петровский Б.И. Рациональная схема ведения горных работ с повышенным извлечением калийных солей под охраняемыми объектами // Калийная промышленность СССР и окружающая среда. Мн.: Наука и техника, 1983. - с. 34-37.

66. Уразов Д.В. Обоснование технологических схем подготовки и отработки калийных пластов на участках шахтных полей с ограниченными размерами Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. СПб.: 2007.

67. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987

68. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. Углетехиздат, 1948.

69. Шерман Д.И. О напряжениях в весомой полуплоскости, ослабленной круговыми отверстиями. Прикладная математика и механика, т. 15, вып. 3,1951.

70. Ширко Г.И. О расчете междукамерных целиков при камерной системе разработки Л.: Труды ВНИИГ, 1953 вып. 28.

71. Яковлев Н.Е. Геомеханическое обоснование технологических решений по снижению потерь в целиках // Геомеханическое обоснование технологических решений при разработке руд подземным способом, сб. науч.тр. под ред. Курленя М.В. Новосибирск. - 1984. с.77-83.

72. Brent Т. Corkum Three-dimensional triangulated boundary element meshing of underground excavations and visualization of analysis data.

73. Электронный источник http://www.rocsience.com

74. D.V. Hutton Fundamentals of finite element analysis. McGrawHill, 2004.

75. Thamer Y. Three-dimensional analysis of lanticular ore bodies using displacement discontinuity elements. Toronto, 1999.

76. Электронный источник http://www.rocsience.com