авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СОЛЯНОГО МАССИВА ПРИ СОВМЕСТНОЙ ОТРАБОТКЕ КАЛИЙНЫХ ГОРИЗОНТОВ НА ЗАТУХАЮЩЕЙ СТАДИИ ВЫЕМКИ ЗАПАСОВ ШАХТНОГО

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БЕСПАЛОВ Леонид Александрович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СОЛЯНОГО МАССИВА ПРИ СОВМЕСТНОЙ ОТРАБОТКЕ КАЛИЙНЫХ ГОРИЗОНТОВ НА ЗАТУХАЮЩЕЙ СТАДИИ ВЫЕМКИ ЗАПАСОВ ШАХТНОГО ПОЛЯ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика

и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Господариков Александр Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Мустафин Мурат Газизович

кандидат технических наук

Ковтун Николай Викторович

Ведущее предприятие РУП ПО “Беларуськалий“.

Защита диссертации состоится “27“ сентября 2010 г. в 13 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан “26“ августа 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

Общая характеристика работы

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 Р.С., 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 MATLAB 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 диссертационной работы отражены геологические условия Старобинского месторождения, рассмотрена технология его разработки. Произведен анализ исследований напряженно-деформированного состояния массива. Дан обзор основных методов численного моделирования. Сформулированы задачи исследований.

В главе 2 произведен анализ свойств горных пород, как соляного массива месторождения, так и выработанных пространств. Построена геомеханическая модель рассматриваемой задачи.

В главе 3 приведены результаты численного моделирования исследуемой задачи

В главе 4 приведен анализ натурных и экспериментальных данных, полученных на рудниках ПО “Беларуськалий”, и сделано их сопоставление с данными численного моделирования.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

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

Важную роль при выборе параметров технологических схем отработки месторождений калийных солей играет обеспечение надежной изоляции разрабатываемой залежи от водоносных горизонтов. В связи с этим различные варианты камерной системы разработки являются основными при разработке этого типа месторождений. Камерным системам разработки свойственен высокий уровень потерь, достигающих 50 – 60 % от балансовых запасов. Спецификой Старобинского месторождения являются благоприятные горно-геологические условия, заключающиеся в наличии ВЗТ мощности, достаточной для обеспечения гарантированной изоляции разрабатываемой залежи от водоносных горизонтов при применении систем разработки длинными столбами. Их внедрение началось во второй половине 70-х годов прошлого века и сейчас они являются основными на месторождении

На Старобинском месторождении выделяют 4 калийных горизонта. Горизонтом, где сосредоточены основные производственные мощности, является Третий калийный горизонт на котором расположено до 80 % запасов сильвинитовой руды. Второй калийный горизонт отличается благоприятными горно-геологическими условиями и низким содержанием нерастворимого остатка. В настоящее время для рудников ПО “Беларуськалий” является характерной одновременная отработка нескольких калийных горизонтов (в частности Второго и Третьего). Среднее расстояние между Вторым и Третьим калийными горизонтами 180 м. При этом геостатические напряжения в массиве, используемые для задания граничных условий, на Третьем калийном горизонте на 30% больше, чем на Втором. В этом случае при задании граничных условий можно использовать величину среднего значения этих напряжений, одинаковую для обоих горизонтов, что приводит, однако, к значительным погрешностям при численных расчетах параметров напряженно-деформированного состояния исследуемых элементов соляного массива.

Геомеханическая модель рассматриваемой задачи представлена на рис.1. Известно, что для соляных пород Старобинского месторождения характерны незначительные отличия прочностных и деформационных свойств разрабатываемых пластов и вмещающих пород. Поэтому модель однородного массива горных пород достаточно обоснованно может быть применена при исследовании параметров напряженно-деформированного состояния несущих элементов соляного массива.

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

В качестве средства математического моделирования был применен прямой вариант метода граничных элементов. Основная разрешающая система уравнений (конечно-разностный аналог) данного метода имеет вид:

, (1)

где , , , - граничные коэффициенты влияния для напряжений; , , , - граничные коэффициенты влияния для смещений; и - касательное и нормальное смещения на j-м элементе; и - касательное и нормальное напряжения на j-м элементе.

Как и свойственно прямому варианту метода граничных элементов основные переменные системы (1) имеют очевидный физический смысл – это напряжения и смещения на границах рассматриваемой области. Напряжения задаются в качестве граничных условий, а смещения определяются как решения системы (1).

При ведении горных работ на затухающей стадии ведения горных работ на руднике возникают стандартные ситуации при которых намеченные к отработке запасы оконтуриваются значительными по размерам выработанными пространствами уже отработанных столбов. Это в наибольшей мере сказывается при обратном порядке отработки запасов рудника, когда горные работы стягиваются от границ к центру шахтного поля на всех отрабатываемых горизонтах. В некоторых случаях возникает необходимость вести горные работы одновременно на двух горизонтах в лавах, находящихся непосредственно друг под другом, что также приводит к интенсификации опорного давления в несущих элементах массива. На рис. 2-4 приведены графические интерпретации основных параметров напряженно-деформированного состояния в соляном массиве для условий разработанной геомеханической модели рис.1. Приведены зависимости для вертикальной компоненты вектора смещений, компонентов тензоров напряжений и деформаций, обладающие наибольшей информативностью. По цветовой гамме от синего к красному происходит рост исследуемого параметра. Также в работе были получены результаты для горизонтальных и касательных компонент тензоров напряжений и деформаций, горизонтальной компоненты вектора смещений. Установлено, что параметры опорного давления со стороны выработанных пространств смежноотработанного столба зависят главным образом от глубины разработки и от ширины охранного целика между ними. Наиболее неблагоприятные условия поддержания характерны для подготовительных выработок лавы 7, что характеризуется значительным уровнем растягивающих напряжений и деформаций.

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.

На рис.5 показан совмещенный план Второго и Третьего калийных горизонтов на участке их отработки лавами №№ 7 и 76, на основе которого была составлена геомеханическая модель (рис.1).

На рис.6-7 представлены данные натурных измерений параметров состояния подготовительных выработок лавы 7, полученных на рудниках РУП ПО “Беларуськалий”.

Отметим, что 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.

Как видно из приведенных графических зависимостей (рис.6 и 7), влияние движущегося забоя лавы на деформирование контура (смещение кровли, конвергенция стенок) подготовительных выработок в районе замерных станций в наибольшей мере сказывается на расстоянии 150-250 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 примерно на 20%.

Натурные данные позволяют учесть динамику процесса деформирования, что является необходимым условием для обеспечения безопасных параметров поддержания подготовительных выработок. Поэтому полученные 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 элементов соляного массива в окрестности подготовительных выработок, а также взаимного влияния ведения горных работ при одновременной выемке калийных пластов на нескольких горизонтах на затухающей стадии отработки запасов шахтного поля непосредственно лавами одна над другой.

Выполненные 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 на затухающей стадии выемки запасов шахтного поля.

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



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.