андрей1. Введение в горнодобывающей промышленности выработки широко используются для разработки полезных ископаемых
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
Введение В горнодобывающей промышленности выработки широко используются для разработки полезных ископаемых. При этом в зонах влияния выработок возникают деформации и напряжения в окружающей горной породе. Особого внимания требует расчет напряженно-деформированного состояния нелинейно-упругих сред в зонах влияния выработок. В данном реферате будет рассмотрено распределение напряжений в нелинейно-упругих средах в зоне влияния одиночных выработок. В зонах влияния выработок в окружающей горной породе возникают деформации и напряжения. При этом окружающая порода может оказаться нелинейно-упругой. Нелинейно-упругие среды характеризуются нелинейными зависимостями между напряжением и деформацией. При расчете напряженно-деформированного состояния нелинейно-упругих сред в зонах влияния выработок необходимо учитывать следующие особенности. В зонах, близких к выработке, возникает зона разрушения, в которой интенсивность напряжений и деформаций настолько велика, что материал окружающей породы начинает разрушаться. При этом зона разрушения может являться неоднородной и изменять свое положение в зависимости от направления и интенсивности воздействия. Напряженное состояние породы в зонах влияния выработок существенно влияет на распределение деформаций и напряжений. Так, напряженное состояние породы может быть трехмерным, двумерным или осесимметричным. В каждом случае расчет параметров напряженно-деформированного состояния производится с помощью соответствующих уравнений. При расчете напряженно-деформированного состояния в зонах влияния выработок необходимо учитывать геометрические особенности выработки. Например, при наличии выпуклых участков в выработке могут возникать острые углы напряжения, которые повышают риск разрушения породы. Свойства породы, включая плотность, твердость и прочность, также оказывают влияние на распределение напряжений и деформаций в зонах влияния выработок. Существует несколько методов расчета напряженно-деформированного состояния в зонах влияния выработок. Рассмотрим некоторые из них. Аналитические методы позволяют рассчитывать напряженно-деформированное состояние нелинейно-упругих сред в зонах влияния выработок на основе математических уравнений и формул. Данный метод подходит для рассчетов в простых геометрических условиях, без учета сложных факторов. Численные методы являются более точными и позволяют учитывать более сложные факторы. Одним из таких методов является метод конечных элементов. При данном методе расчет производится путем разбиения области на конечные элементы, в каждом из которых решается соответствующее математическое уравнение. Перед тем, как перейти к расчету напряженно-деформированного состояния нелинейно-упругих сред в зонах влияния выработок, необходимо определить базовые понятия и термины. Напряжение - физическая величина, определяющая силовое взаимодействие между смежными частями тела. Напряжения можно разделить на нормальные (перпендикулярные к поверхности тела) и тангенциальные (параллельные плоскости тела). Деформации - изменение размеров и формы тела под воздействием внешних сил или температурных воздействий. Деформации можно разделить на продольные (изменение длины тела) и поперечные (изменение диаметра тела). Упругость - свойство тела возвращаться в исходное состояние после удаления внешних сил. Тела могут быть линейно-упругими и нелинейно-упругими. Задачи управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках включают в себя: а) обеспечение необходимых требований к форме, размерам поперечных сечений и сохранности выработок во времени с точки зрения обеспечения нормальных условий для выполнения технологических операций при добыче полезных ископаемых; б) обеспечение безопасных условий работы людей и механизмов на протяжении всего срока эксплуатации выработок; в) выбор наиболее экономичных мероприятий по обеспечению устойчивости выработок и их поддержанию. Поскольку виды проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках определяются соотношением величин действующих напряжений и деформационных характеристик окружающего массива пород, мероприятия по управлению геомеханическими процессами могут быть направлены: на снижение действующих напряжений в массиве; на повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива. По первому направлению - снижение величин действующих напряжений можно достигать следующими способами: 1. Исключать или по мере возможности снижать опасность возникновения высоких концентраций напряжений в приконтурных областях массива. Этого можно достичь специальной организацией и методами ведения проходческих работ. 2. Придавать выработкам наиболее устойчивые формы поперечных сечений, которые определяются как видом и параметрами напряженного состояния массива пород, так и его структурными особенностями. 3. Выбирать оптимальную ориентацию сечений вертикальных выработок или направлений горизонтальных выработок в пространстве конкретного массива пород. Второе направление - повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива можно реализовать различными способами: 1. Путём искусственного упрочнения пород вокруг выработок. К подобным мероприятиям относится тампонирование пород, в частности цементация и укрепление трещиноватых массивов битумизацией или глинизацией пород. Эти способы позволяют повысить сцепление пород в массиве. В некоторых случаях бывает достаточно повысить прочность вмещающих пород лишь на сравнительно короткий период времени, до возведения постоянной крепи. С этой целью используют специальные способы проведения выработок с замораживанием пород. В качестве примера рассмотрим подземный комплекс Серебряноборских автодорожных тоннелей в г. Москве на участке скоростной автомагистрали, который включает два транспортных тоннеля диаметром 14.2 м и длиной 1500 м, а также сервисный тоннель диаметром 6 м, расположенный между ними и пять межтоннельных сбоек, сооружаемых через каждые 250 м. Для безопасного сооружения сбоек в сложных гидрогеологических условиях проектом сооружения тоннелей предусмотрено предварительное закрепление грунтов инъекционными способами и способом искусственного замораживания. Инъекционное укрепление грунтов (водонасыщенные песчаные и супесчаные грунты с глинистыми прослойками и гидростатическим давлением до 0.2 МПа) осуществлялось методом струйной цементации в сочетании с инъекцией цементными растворами и инъекцией ОТДВ «Микродур». Выбор способа обоснован сложным разнородным геологическим разрезом: в верхней части – водонасыщенная супесь текучей консистенции с прослоями суглинков; в средней – суглинок полутвёрдый; в нижней – глина тяжёлая, полутвёрдая, сильнонабухающая. Для закрепления грунтов использовался метод циркуляции в трубах замораживающих колонок холодоносителя (водного раствора хлористого кальция), охлаждённого до -200С. Эффективны также кессонные способы проходки выработок при создании избыточного давления воздуха в призабойной зоне. В этом случае породы приконтурного массива постоянно находятся в условиях объёмного напряжённого состояния, а это резко изменяет в сторону увеличения их прочностные и деформационные свойства. Возможно также искусственное снижение деформационных характеристик приконтурного массива с целью снижения величин действующих напряжений. В качестве примера приведём метод активного управления геомеханическим состоянием массива пород в окрестности одиночной пластовой подготовительной выработки в сложных горно-геологических условиях. Метод основан на безполостной релаксации напряжений до уровня, не превышающего предела прочности массива, вмещающего выработку. Релаксацию напряжений предлагается производить за счет раскрытия природных и образования техногенных трещин при воздействии рабочей жидкости, например водных растворов ПАВ, на угольный массив в режиме напорной фильтрации (рис. 3.3). Р и  с. 3.3. Перераспределение поля напряжений в приконтурной области горного массива до и после разуплотнения краевых частей угольного пласта:(l — зона разуплотнения угля краевой части угольного пласта; 1,2 — напряжения в зоне опорного давления до и после разуплотнения угольного пласта, 3 — область разгруженных пород 2. Путём применения мероприятий, направленных на максимальное использование несущей способности пород. К ним относятся способы проходки выработок, обеспечивающие минимальное разрушение пород вокруг выработок, в частности, ведение взрывных работ методом контурного взрывания, проведение выработок бурением на полное сечение и др. 3. Путём предотвращения изменения свойств пород приконтурного массива под влиянием агентов выветривания. Для этого в выработках применяют изолирующие виды крепи. Возведение в выработках того или иного вида несущих крепей. В рамках данной темы по первому направлению детально рассмотрим вопросы выбора устойчивых форм поперечных сечений и их ориентации в пространстве, а по второму – наиболее широко применяемые методы крепления выработок и, частично, методы укрепления приконтурного массива. 3.3. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Проведение выработок с физической точки зрения можно представить как образование полости в массиве горных пород, обладающем определёнными свойствами и начальным (или естественным) полем напряжений. При этом вокруг выработки - полости формируется новое поле напряжений и смещений, являющееся результатом выемки породы при проведении горных работ. В настоящее время основные закономерности формирования указанных полей напряжений достаточно детально изучены, разработаны экспериментальные и теоретические методы определения их параметров при условиях, отвечающих различным случаям горнотехнических ситуаций. При этом в большинстве случаев решения получены в предположении идеально упругого деформирования массива пород. Подобная постановка в малой степени отвечает реальным условиям деформирования массивов, но обладает огромным преимуществом, поскольку результаты определения напряжений являются максимально возможными. Проследим основные закономерности изменения естественных полей напряжений при проведении горных выработок на простейших примерах. В частности, простейшей формой сечения горных выработок является круговая. На практике её редко применяют для горизонтальных выработок, но для вертикальных стволов она широко распространена. В этом случае напряжения могут быть выражены весьма простыми формулами: при равнокомпонентном поле естественных напряжений (1 = 3) a2 r = 1 (1 - -----); r2 (3.1) a2 = 1 (1 + -----); r2 при неравнокомпонентном поле естественных напряжений (1 3) 2r2r4 где 3и1 — компоненты тензора напряжений в нетронутом массиве горных пород; а — радиус сечения выработки; r, — текущие полярные координаты. Как следует из уравнений (3.1) и (3.2), напряжения в любой точке массива пород вокруг кругового сечения определяются соотношением напряжений в нетронутом массиве и координатами данной точки. Причем в случае равнокомпонентного поля естественных напряжений (например, для вертикальных стволов при действии в массиве только гравитационных сил) коэффициент концентрации тангенциальных напряжений, т.е. коэффициент, показывающий во сколько раз напряжение в данной точке превышает соответствующее напряжение в нетронутом массиве (К = i / ), в любой точке контура равен максимально К = 2 и все напряжения являются сжимающими (рис. 3.4).  Рис. 3.4. Распределение напряжений вокруг выработки кругового поперечного сечения при равнокомпонентном напряжённом состоянии нетронутого массива (3 = 1). При неравнокомпонентном поле напряжений (31) на части контура выработки со стороны действия большего из напряжений появляется область растягивающих напряжений, которая тем обширнее, чем больше разница между 3и1. Сжимающие же напряжения в противоположность этому имеют большие значения со стороны действия меньших нагрузок. Рассмотрим несколько частных случаев. 1. Выработка горизонтальная. Естественное поле в массиве пород - гравитационное, соответствует гипотезе академика АН СССР А.Н. Динника, т.е. отношение горизонтальной компоненты к вертикальной 1/3 = /(1-). При = 0.2 горизонтальное напряжение 1 = 0.253 (рис. 3.5).  Рис. 3.5. Распределение напряжений в кровле и стенках горизонтальной выработки кругового поперечного сечения при соотношениях компонент тензора напряжений в нетронутом массиве по А.Н. Диннику (при v = 0,2; 1 = 0.25 3) В этом случае максимальный коэффициент концентрации напряжений К наблюдается в боках выработки и составляет 2,75. В кровле образуется небольшая зона растяжений. 2. Выработка горизонтальная. Естественное поле в массиве пород - гравитационно-тектоническое, т.е. горизонтальное напряжение 1 = 23 (рис. 3.6а) и 1 = 103(рис. 3.6б). При этом максимальная концентрация напряжений наблюдается в кровле горизонтальной выработки, коэффициенты концентрации составляют соответственно 5 и 29. Во всех рассмотренных случаях речь идет о коэффициенте концентрации тангенциальных напряжений, поскольку радиальные напряжения на контуре всегда равны нулю, если со стороны контура выработки массив не испытывает противодавления (например, реакции жесткой крепи). Интересно проследить, как изменяется размер L области влияния выработок, т. е. другими словами, на каких расстояниях от контура выработки напряжения практически не отличаются от соответствующих компонент поля напряжений нетронутого массива. Вычисления по формулам (3.2) показывают, что для условий равнокомпонентного (гидростатического) напряженного состояния нетронутого массива уже на расстоянии, немногим более трёх радиусов выработки [L = 1.65d (где d = 2a)], значения и тангенциальных и радиальных составляющих отличаются от соответствующих компонент напряжений в нетронутом массиве не более, чем на 5%. Для других условий нагружения наблюдаются существенные различия в скорости затухания компонент напряжений и r по мере удаления от контура выработки. При этом, как правило, быстрее затухают те компоненты, которые имеют большие коэффициенты концентраций на контуре. Так, при 1=0.253наиболее быстро затухает тангенциальное напряжение в стенке выработки, уже на расстоянии L = 1.35d от контура оно отличается на 5% от значения такового в нетронутом массиве. Остальные компоненты (в том числе и в кровле) затухают медленнее, и указанный уровень достигают лишь на расстоянии L = 2.75d. При 1=23и 1=103тоже быстрее затухают в кровле, исходя из этого, радиальная протяженность области влияния выработки составляет соответственно L = 1.5d. и L = 1.25d. Медленнее затухают радиальные составляющие напряжений. В частности, в стенке значение r в первом случаеотличается на 5% от уровня соответствующей компоненты нетронутого массива на расстоянии L = 2.5d от контура. Особенно медленно уменьшаются радиальные составляющие в кровле во втором случае (L = 7d). Таким образом, размеры зоны влияния выработок существенно зависят от степени равномерности начального поля напряжений и минимально, при наиболее благоприятном случае, для круговой формы сечения составляют около полутора диаметров. Представляет практический интерес характер распределения напряжений в массиве в сторону забоя выработки. В данном случае напряженное состояние массива уже нельзя отождествлять с распределением напряжений в плоскости продольного сечения выработки и необходимо рассматривать пространственную задачу. Результаты исследований свидетельствуют, что в самом простом случае, если конфигурацию забоя представить приближённо полусферой, а начальное поле напряжений в массиве является равнокомпонентным (гидростатическим) |