Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение
Наведені результати чисельного моделювання пружно-деформованного стану ділянки порідного масиву, який має протяжну гірничу виробку, яка перетинає розривне геологічне порушення. Основою методичного підходу до постановки задачі моделювання поставлено розгляд геомеханічних процесів на ділянці порідного...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33596 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение / В.В. Янко, Р.Н. Терещук, А.Э. Кипко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-33596 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-335962012-05-29T13:04:23Z Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение Янко, В.В. Терещук, Р.Н. Кипко, А.Э. Наведені результати чисельного моделювання пружно-деформованного стану ділянки порідного масиву, який має протяжну гірничу виробку, яка перетинає розривне геологічне порушення. Основою методичного підходу до постановки задачі моделювання поставлено розгляд геомеханічних процесів на ділянці порідного масиву, виробка проходиться етапами, наближуючись та віддаляючись від геологічного порушення. The results numerical simulation of the stress-strain state on site of a rock mass containing a long mining, geological faults intersecting the burst. The basis of the methodological approach to the problem statement delivered to the consideration of modeling the geomechanical processes at the site a rock mass containing the production stages, along the approach and the subsequent removal of geological disturbances. 2011 Article Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение / В.В. Янко, Р.Н. Терещук, А.Э. Кипко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33596 622.002. ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Наведені результати чисельного моделювання пружно-деформованного стану ділянки порідного масиву, який має протяжну гірничу виробку, яка перетинає розривне геологічне порушення. Основою методичного підходу до постановки задачі моделювання поставлено розгляд геомеханічних процесів на ділянці порідного масиву, виробка проходиться етапами, наближуючись та віддаляючись від геологічного порушення. |
| format |
Article |
| author |
Янко, В.В. Терещук, Р.Н. Кипко, А.Э. |
| spellingShingle |
Янко, В.В. Терещук, Р.Н. Кипко, А.Э. Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение Геотехническая механика |
| author_facet |
Янко, В.В. Терещук, Р.Н. Кипко, А.Э. |
| author_sort |
Янко, В.В. |
| title |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| title_short |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| title_full |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| title_fullStr |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| title_full_unstemmed |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| title_sort |
напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33596 |
| citation_txt |
Напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг протяженной выработки пресекающей разрывное геологическое нарушение / В.В. Янко, Р.Н. Терещук, А.Э. Кипко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT ânkovv naprâžennodeformirovannoesostoânieporodnogomassivavokrugprotâžennojvyrabotkipresekaûŝejrazryvnoegeologičeskoenarušenie AT tereŝukrn naprâžennodeformirovannoesostoânieporodnogomassivavokrugprotâžennojvyrabotkipresekaûŝejrazryvnoegeologičeskoenarušenie AT kipkoaé naprâžennodeformirovannoesostoânieporodnogomassivavokrugprotâžennojvyrabotkipresekaûŝejrazryvnoegeologičeskoenarušenie |
| first_indexed |
2025-07-03T14:16:59Z |
| last_indexed |
2025-07-03T14:16:59Z |
| _version_ |
1836635620233969664 |
| fulltext |
УДК 622.002.
В.В. Янко, к.т.н.,
Р.Н. Терещук, к. т. н.,
доцент каф. строительства и геомеханики,
(ГВУЗ «Национальный горный университет»),
А.Э. Кипко,
доцент, каф. Горного дела
( ГВУЗ «Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля»,
г. Антрацит)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
ПОРОДНОГО МАССИВА ВОКРУГ ПРОТЯЖЕННОЙ ВЫРАБОТКИ
ПРЕСЕКАЮЩЕЙ РАЗРЫВНОЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ
Наведені результати чисельного моделювання пружно-деформованного стану ділянки
порідного масиву, який має протяжну гірничу виробку, яка перетинає розривне геологічне
порушення. Основою методичного підходу до постановки задачі моделювання поставлено
розгляд геомеханічних процесів на ділянці порідного масиву, виробка проходиться етапа-
ми, наближуючись та віддаляючись від геологічного порушення.
STRESS-STRAIN STATE OF ROCK MASS AROUND THE
GENERATION EXTENDED CURB DISCONTINUOUS GEOLOGICAL
FAULTS
The results numerical simulation of the stress-strain state on site of a rock mass containing a
long mining, geological faults intersecting the burst. The basis of the methodological approach to
the problem statement delivered to the consideration of modeling the geomechanical processes at
the site a rock mass containing the production stages, along the approach and the subsequent re-
moval of geological disturbances.
Введение. Рост глубины разработки угольных месторождений приводит к
увеличению горного давления, температуры окружающих пород, повышению
вероятности внезапных выбросов угля, пород, газа и горных ударов, что су-
щественно усложняет ведение горных работ, часто приводит к аварийным си-
туациям, увеличивает себестоимость угля. В настоящее время ряд шахт в Ук-
раине ведет разработку угля на глубине более 1000 м, сталкиваясь с вышепе-
речисленными трудностями. Перспективы дальнейшего развития угольной
отрасли связаны с освоением больших глубин, что еще больше ухудшит ус-
ловия, как при строительстве, так и при эксплуатации новых горизонтов и
шахт.
Эффективность и надежность добычи угля во многом определяется устой-
чивостью капитальных и подготовительных горных выработок, протяжен-
ность которых на современных глубоких шахтах достигает нескольких десят-
ков километров.
Горный массив, как объект технологического воздействия, отличается вы-
соким уровнем структурных и текстурных неоднородностей и изменчивостью
физико-механических свойств. В первую очередь это касается геологической
нарушенности угольных месторождений, в большой степени присущей пла-
стам Центрального района Донбасса.
Известно, что дизъюнктивное нарушение сопровождается по обе стороны
зонами влияния, которые характеризуются повышенными трещиноватостью и
напряжениями, изменением прочности угля и пород, склонностью их к выва-
лообразованию [3-5]. Протяженность этой зоны для одиночного тектониче-
ского нарушения может достигать 30-100 м. Как показывает опыт эксплуата-
ции угольных шахт именно к зонам влияния дизъюнктивных нарушений при-
урочено неудовлетворительное состояние крепи горных выработок.
Актуальность исследований по данному вопросу заключается в том, что с
увеличением глубины разработки степень разведанности геологических на-
рушений уменьшается, а степень сложности обеспечения устойчивости про-
тяженных выработок и длительной их эксплуатации в таких условиях увели-
чивается. Более того, с увеличением глубины ведения горных работ на 100-
120 м интенсивность (частота) нарушений возрастает на 5-7 % [1]. Анализ
геологических показателей шахтопластов, приведенных в [2] показывает хоть
и незначительное, но устойчивое увеличение числа нарушенных пластов с
увеличением их глубины. Так же одной из интересующих задач геомеханики
является исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) по-
родного массива в процессе сооружения горизонтальной одиночной выработ-
ки. Взаимодействия поля напряжений от забоя проводимой выработки и по-
лей напряжений вокруг геологических структурных неоднородностей в по-
родном массиве существенно влияет на ее устойчивость и технологию со-
оружения. Одной из проблем при отработке угольных пластов является нали-
чие в толще углевмещающих пород геологических разрывных нарушений.
Устойчивость капитальных, подготовительных и очистных выработок суще-
ственно снижается при пересечении ими нарушенного породного массива.
Установление закономерностей изменения напряженно-деформированного
состояния породного массива при этом является актуальной задачей.
Одной из главных задач при проектировании горнодобывающих предпри-
ятий является учет геологической нарушенности породного массива при под-
готовке запасов к отработке, планирование рациональных способов прохож-
дения нарушений, обеспечения устойчивости подземных выработок. Это свя-
зано с тем, что нарушения в виде трещин, разрывов и складок в некоторых
случаях настолько усложняют строение породного массива, что вести горные
работы в нем весьма проблематично, а порой и невозможно.
Исследование процесса перемещения одиночной протяженной горизон-
тальной выработки в породном массиве во время пересечения и после пересе-
чения в численном виде достаточно корректно можно выполнить только на
основе объемной модели. Принимая во внимание то обстоятельство, что рас-
сматриваемая задача должна быть упругопластической, численная модель
представляется очень сложной, громоздкой. Интерпретация результатов вы-
числений при этом чрезвычайно затрудняется. В этой связи интересным
представляется подход, предложенный в работах [6–7], состоящий в следую-
щем. За основу предлагается рассматривать выработку в продольном сечении
поэтапно, по мере приближения, пересечения и ухода от нарушения. Для то-
го, чтобы решение соответствовало условиям плоской деформации, к контуру
выработки прикладывается некоторая эквивалентная нагрузка, распределен-
ная по закону параболы. За основу приняты известные решения плоской уп-
ругопластической задачи о пересечении очистной выработкой (лавой) геоло-
гического нарушения [8, 9] и такой же задачи относительно одиночной выра-
ботки [10]. Ищется искусственное решение основной задачи, опирающееся на
решении известных задач.
В нашем случае решается более сложная задача: выработка имеет произ-
вольное расположение в пространстве. Расчетная схема такой задачи пред-
ставлена на рис. 1. Породы в зоне влияния разрывного геологического нару-
шения имеют изменяющуюся в общем случае по нелинейному закону проч-
ность (меньше к центру и больше к краям).
2а
2ав
y
x
α
β
2
1
1 – горизонтальная выработка; 2 – вертикальная выработка; – угол наклона выра-
ботки; – угол наклона оси разрывного нарушения;
à – полуширина зоны геологических нарушений.
Рис. 1 – Схема к определению длины выработки, испытывающей
повышенное горное давление
В связи с этим, целью данной работы было рассмотрение геомеханических
процессов при численном моделировании состояния протяженной выработки
поэтапно, по мере приближения и последующего отхода от геологического
нарушения.
В модели задавались следующие физико-механические параметры пород:
модуль Юнга – E, коэффициент Пуассона – μ, предел прочности на одноосное
сжатие – Rс, модуль сдвига – G, объемный вес пород – γ.
Выработка, размещенная в модели, имела арочную форму с шириной 4,5 м
и высотой 3,2 м. По контуру выработки задавался отпор крепи.
Моделируемое структурное нарушение дизъюнктив представляет собой
сброс. Угол наклона дизъюнктива принят 30˚. В первом случае выработка,
вокруг которой исследуется устойчивость породного массива, проходится го-
ризонтально, примерно, посередине по отношению к вертикали исследуемого
массива, в остальных под следующими углами: 30˚, 60˚, 90˚. Высота и ширина
выработки составляет 3,2 и 4,5 м соответственно. По отношению к простира-
нию нарушенных пород сброс является продольным.
Для реализации численной модели двадцатиметровая зона влияния вокруг
дизъюнктива была разбита на 10 одинаковых по ширине частей, каждая из
которой имела собственные физико-механические характеристики пород, из-
меняющиеся по линейному закону от его центра к краям.
На первом этапе решения задачи дизъюнктив находится на достаточно
большом расстоянии от выработки, так что его влиянием можно пренебречь.
Выработка моделируется вырезом прямоугольной формы, длина которого
увеличивается по мере продвижения забоя. Каждому конечному элементу в
зоне ± 2 м от нарушения задаются свои физико-механические параметры.
В процессе расчета в каждом элементе определялись компоненты напря-
жений и перемещений. Величина эквивалентных напряжений устанавлива-
лась по формуле [11]:
2
16)(4)()(1)1)(-( 22
yx
2
yx
2
yx xy
e
где σx, σy – компоненты главных напряжений, ψ – коэффициент хрупкости,
равный отношению предела прочности на растяжение к пределу прочности
на сжатие.
Величина эквивалентных напряжений сравнивалась с пределом прочности
массива в конкретном конечном элементе
ccЭ kR . (1)
Элементы, в которых соотношение (1) не выполнялось, считались разру-
шенными.
Величина коэффициента структурного ослабления определялась по фор-
муле [12]:
25,0exp5,01 ck ,
где η – коэффициент вариации прочности породного массива, определяемый
по формуле [12]:
,112
0
0
Т
Т
l
ll
где Tl – среднее расстояние между трещинами; 0l – наибольший размер стан-
дартного породного образца; η0 – коэффициент вариации результатов испы-
таний стандартных породных образцов.
На рисунке 2 показано распределение напряжений при движении протя-
женной выработки.
Результирующий график изменения величины минимального значения ко-
эффициента запаса прочности породного массива в окрестности забоя прово-
димой выработки от угла ее наклона для рассматриваемого угла наклона
оси разрывного нарушения 030 показан на рис. 3. Он хорошо аппрокси-
мируется следующей степенной зависимостью:
25,0005,055 2 Ek
з
. (2)
При этом коэффициент вариации равен 99,02 R .
В том случае, если угол наклона оси дизъюнктивного нарушения не яв-
ляется величиной постоянной, а полуширина нарушения равна a , то длина
выработки, которая будет подвергаться повышенному горному давлению
в
а2 ,
определяется из схемы, приведенной на рис. 1, на основании которой был по-
лучен график (рис. 4) по формуле:
sin
k
а
а
в . (3)
Из (3) следует, что при
090 и )180(0 0 , аа
в
. При 0 и
)180(0 0 ,
в
а , или L , где L – длина выработки, k – коэффициент кон-
центрации напряжений в окрестности пересечения нарушения ( 5,21k ).
Таким образом, установлены основные зависимости, позволяющие опреде-
лить часть выработки, которая подвергается повышенному горному давле-
нию, и установить уровень этой нагрузки по сравнению с горным давлением
вне зоны влияния дизъюнктива.
а)
б)
в)
Рис. 2 – Распределение напряжений при движении выработки (α=60°) от 0 до 100 м.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
α, град
min
зk
y=5e
-05
-0,0048x+0,2311 при R
2
=0,9975
Рис. 3 – Зависимость минимального значения коэффициента запаса прочности от угла
наклона выработки при угле наклона нарушения (β=30°).
0,75
1
1,25
1,5
1,75
2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
α+β, град
a
вa
Рис. 4 – Зависимость относительной ширины зоны повышенного давления от взаимно-
го расположения выработки и нарушения в пространстве.
Выводы:
1. Установлены основные зависимости, позволяющие определить часть
выработки, которая на участке пересечения зоны разрывного геологического
нарушения подвергается повышенному горному давлению, и установить уро-
вень этой нагрузки по сравнению с горным давлением вне зоны влияния
дизъюнктива.
2. Минимальное значение коэффициента запаса прочности породного мас-
сива в окрестности забоя не зависимо от ориентации в пространстве протя-
женной выработки находится в параболической зависимости от угла падения
разрывного нарушения, что позволяет оценить уровень нагрузки на крепь.
3. Длина протяженной выработки, имеющей угол наклона при ее пере-
сечении с разрывным нарушением шириной а2 , имеющем угол падения ,
прямо пропорциональна ширине нарушения и обратно пропорциональна си-
нусу разности углов и , что позволяет определить объемы работ по уси-
лению крепи в районе нарушения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проскуряков Н.М. Управление состоянием массива горных пород: Учебник для вузов. М.: Недра,
1991. – 368 с.
2. Прогнозный каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-
геологических факторов и явлений. - М.: ИГД им. Скочинского, 1982. – 267 с.
3. Разрывные нарушения угольных пластов / И.С. Гарбер, В.Е. Григорьев, Ю.Н. Дупак [и др.] – Л.: Не-
дра, 1979. – 190 с.
4. Рева В.Н., Белоусов А.П. Особенности поддержания горных выработок в трещиноватом скальном
массиве вблизи тектонических нарушений // Уголь. – 1987. – № 5. – С. 11-13.
5. Прогноз размеров зоны влияния мелких дизъюнктивных нарушений в Центральном районе Донбасса
// Уголь Украины. – 1997. – № 6. – С. 53-54.
6. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П., Янко В.В. Численное моделирование напряженно-
деформированного состояния породного массива в окрестности протяженной выработки // Вісті ДонНТУ.–
Донецьк: ДонНТУ, 2008.– № 1.– С.3-8.
7. Янко В.В. Обоснование параметров способа обеспечения устойчивости протяженных горизонтальных
выработок при пересечении геологических нарушений: Дис. … канд. техн. наук: 05.15.09.– Днепропетровск,
2008.– 169 с.
8. Шашенко А.Н., Тулуб СБ., Сдвижкова Е.А. Некоторые задачи статистической геомеханики.–К.: Пуль-
сари, 2001.– 243 с.
9. Сдвижкова Е.А., Татаринов А.А., Рубец Г.Т. Анализ статистических моделей распределения на-
грузки на крепь горизонтальных протяженных выработок // Науковий вісник НГАУ.– 1998.– №1.– С.40-41.
10. Шашенко А. Н., Гапеев С.Н. Численное решение упругопластической задачи применительно к ус-
тойчивости подземных выработок. Науковий вісник НГУ.– Дніпропетровськ: НГУ, 2007.– №12.
11. Шашенко А. Н., Пустовойтенко В. П. Механика горных пород: Підручник для ВУЗів. – К.: Новий
друк, 2004. – 400 с.
12. Шашенко А. Н., Сдвижкова Е. А., Кужель С. В. Масштабный эффект в горных породах: Моногра-
фия. – Д.:АРТ-ПРЕСС, 2004. – 132 с.
|