ГЛАВА 2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПОВЕДЕНИЯ МАССИВА ОХРАННОГО ЦЕЛИКА
ПОД ВЛИЯНИЕМ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
2.1. Методика моделирования поля напряжений в массиве охранных целиков, окружающих выработанное пространство
Методика исследования поля напряжений в окружающем ВП массиве термодинамическим методом, включает следующие этапы:
* определение физических свойств исследуемого массива горных пород;
* определение уровня напряженности нетронутого массива горных пород;
* определение поля напряжений в окружающем ВП массиве горных пород.
Определение физических свойств и напряженного состояния массива руд и вмещающих пород производится согласно методик, изложенных в работах [74, 76, 78, 80]. Их сущность сводится к определению параметров нетронутого массива вдоль вертикального профиля. Расчетный профиль распространяется от поверхности в земные недра. Для всех пластов разнородных вмещающих пород и руды определяются параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние массива и его физико-механические свойства. Текущей координатой является глубина пересечения расчетным профилем контактов напластования различных пород.
Определение параметров нетронутого массива пород и его физических свойств, производили в программе Microsoft Excel 2000. Расчету подвергали профили по исследуемым шахтам Криворожского бассейна. В таблице 2.1 приведены параметры нетронутого массива пород для исследуемых шахт Кривбасса.
Определение физических свойств пород в условиях их естественного залегания производили до глубин 1500 м по данным геологического строения исследуемого участка шахтного поля. Так, например, результаты моделирования нетронутого массива для расчетного вертикального профиля, расположенного на 92 маркшейдерской оси в точке ее пересечения с линией среднего простирания +1214 м на глубине 1200 м шахты им. Ленина ОАО "Криворожский железорудный комбинат" показали, что объемная масса руды возросла на 0,79 МН/м3, а вмещающих пород на 0,22 МН/м3. В условиях объемного сжатия прочность руды увеличилась с 70 до 120,8 МПа, а пород с 180 до 350 МПа. Соответственно возросли и абсолютные значения модуля Юнга с 0,843x105 до с 1,63x105 для пород и с 0,324x105 до 0,593x105 МПа для руд.
Согласно научным положениям термодинамической теории, образование очистной камеры, а впоследствии ВП, является причиной нарушения первоначального равновесного состояния массива горных пород [78]. Поперечное сечение ВП представляет собой область внутри массива с пониженной объемной плотностью потенциальной энергии. По контуру ВП создается градиент объемной плотности энергии, что является условием протекания необратимых термодинамических процессов.
Определение размеров массива в зоне разгрузки, которая окружает ВП, производим по его граничным размерам полости ВП. При этом горизонтальным пролетом ВП - lпр является проекция крайних точек обнажения массива на горизонтальную плоскость. Вертикальным пролетом обнажения массива - Н(h) является проекция верхней и нижней точек обнажения массива ВП на вертикальную плоскость. Центр плоскости ВП, без выхода на земную поверхность (далее "слепое" ВП) располагается в точке пересечения 0,5 lпр и 0,5 Н. Он совпадает с точкой О - началом системы координат ZXY.
Отличительной особенностью ВП, имеющего выход на земную поверхность, от "слепого" ВП является то, что его зона разгрузки в прилегающем массиве имеет разомкнутый контур. Это связано с наличием разомкнутого контура у самого ВП. Помимо этого расчетным центром ВП, имеющего выход на земную поверхность, является точка, находящаяся в центре его торца.
Методика и основные принципы расчета напряжений вдоль осей OZ-OX и OX-OY для разнотипных ВП аналогичны. Расчетные схемы моделирования геодинамических процессов, представлены на рис. 2.1 и в формулах 2.1-2.19. Отличием являются порядок использования значений потенциальных напряжений нетронутого массива, действующих вдоль исследуемых осей, представленный в работе [81].
Таблица 2.1
Упругие потенциальные напряжения в нетронутом массиве пород шахт Криворожского бассейна
Глубина
Н, кмДавление
Р, МПаПотенциальные нап-ряжения в нетронутом массиве, МПаКоэффициент формы зоны разгрузки, ?впУгол между ?1(y) и горизонтом, ? градГлавные напряжения
в нетронутом массиве,
МПа ??x(y)??z(y) ?1(y)?2(y)?maxДля горно-геологических условий шахты "Центральная"0,257,52,712,630,9744,212,722,620,560,5015,05,525,210,9443,365,585,152,240,7522,58,507,760,9142,418,657,615,281,0030,011,5210,160,8841,4111,809,899,631,2537,514,5612,370,8540,3615,0011,9311,321,5045,018,1914,750,8139,0518,8714,0714,75Для горно-геологических условий шахт "Октябрьская", "Юбилейная" и им. Ленина0,257,53,823,670,9845,395,571,921,820,5015,07,657,350,9746,1011,183,823,680,7522,511,609,840,9446,7316,765,725,521,0030,015,6414,330,9147,3022,657,317,671,2537,519,7417,670,8948,1428,169,219,441,5045,024,0220,920,8848,5733,8911,0511,42
а
б
Рис. 2.1. Расчетные схемы моделирования массива в зоне разгрузки, окружающей ВП, которое имеет (а) и не имеет (б) выход на земную поверхность вкрест простирания пород
В расчетных схемах приняты следующие обозначения:
??z(y) и ??x(y) - вертикальные и горизонтальные потенциальные напряжения нетронутого массива пород, МПа;
? - угол между расчетной площадкой и осью ОX, град;
? - угол между направлением ?? и касательной в точке пересечения расчетной площадки с контуром ВП, град;
x - текущая координата положения точки на расчетной площадке, м;
А? - расстояние вдоль площадки от границы зоны разгрузки до контура ВП, м;
h - вертикальный пролет обнажения массива, м;
lпр - горизонтальный пролет обнажения массива, м;
0 - центр ВП, н