Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ
В статье выполнен исследований напряженного состояния породного массива, разрушаемого взрывным способом. Проведено математическое моделирование формирования зон концентрации напряжений впереди забоя выработки. Показаны факторы, влияющие на оптимальную величину заходки. Установлена зависимость расчет...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108432 |
| 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: | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ / К.Н. Лабинский, Е.А. Сдвижкова, К.В. Кравченко, А.Ю. Галечко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2014. — Вип. 17. — С. 61-67. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859681429938503680 |
|---|---|
| author | Лабинский, К.Н. Сдвижкова, Е.А. Кравченко, К.В. Галечко, А.Ю. |
| author_facet | Лабинский, К.Н. Сдвижкова, Е.А. Кравченко, К.В. Галечко, А.Ю. |
| citation_txt | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ / К.Н. Лабинский, Е.А. Сдвижкова, К.В. Кравченко, А.Ю. Галечко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2014. — Вип. 17. — С. 61-67. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | В статье выполнен исследований напряженного состояния породного массива, разрушаемого взрывным способом. Проведено математическое моделирование формирования зон концентрации напряжений впереди забоя выработки. Показаны факторы, влияющие на оптимальную величину заходки. Установлена зависимость расчетного расхода взрывчатого вещества на заходку.
У статті виконано аналіз досліджень напруженого стану породного масиву, що руйнується вибуховим способом. Проведено математичне моделювання зон концентрації напружень попереду вибою виробки. Показано фактори, що впливають на оптимальну величину західки. Встановлено залежність розрахункових витрат вибухової речовини на західку.
The analysis of researches of a stress state of mine rock, which was destroyed during explosive works, is shown in this article. The mathematical modelling of formation of zones of stress ahead the face of excavation is conducted. The influence of factors on optimal length of stope are shown. The dependence of calculated consumption of explosives is developed.
|
| first_indexed | 2025-11-30T18:50:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
61
УДК 622.235+622.236.4
К.Н. Лабинский1, Е.А. Сдвижкова2, К.В. Кравченко2, А.Ю. Галечко1
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ВПЕРЕДИ
ЗАБОЯ ВЫРАБОТКИ С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
1Донецкий национальный технический университет
2Национальный горный университет
В статье выполнен исследований напряженного состояния породного массива,
разрушаемого взрывным способом. Проведено математическое моделирование
формирования зон концентрации напряжений впереди забоя выработки. Показаны
факторы, влияющие на оптимальную величину заходки. Установлена зависимость
расчетного расхода взрывчатого вещества на заходку.
Ключевые слова: напряженное состояние, буровзрывная технология, расчетный
расход, глубина заходки
Введение
При проведении выработки по буровзрывной технологии шпуры в своем
пространственном расположении могут пересекать как зону отжима, так и
зону сжатия. Это может оказать влияние на направление действия взрыва и
на характер разрушения массива, поскольку с изменением напряжений из-
меняется эффективность действия взрыва заряда взрывчатых веществ (ВВ).
Для обоснования эффективных параметров паспорта буровзрывных работ
очень важно знать размеры зоны отжима в призабойной зоне и области
формирования максимальных напряжений. Очевидно, что поле напряжений
впереди забоя выработки, проходя через точку максимума, меняет направ-
ление градиента. При нарастании напряжений до точки максимума и одно-
временном разрушении пород под действием этих напряжений разупроч-
ненные породы «выталкиваются» в забой, что характеризуют как «отжим»
массива. После достижения максимума направление скорости изменения
поля напряжений меняется, что меняет и вектор перемещений пород, пре-
пятствуя выбросу их к забою. Следовательно, учет пространственного рас-
положения этих зон позволит обосновать следующие параметры паспорта
буровзрывных работ: эффективную глубину заходки и расчетный расход ВВ
на заходку.
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
62
Изложение результатов
В работе [1] приведены обширные экспериментальные данные, направ-
ленные на исследование напряженного состояния призабойной части мас-
сива для различных выработок угольных шахт Донбасса. Изучение сопро-
тивления жестко закрепленных проволочных шпуровых датчиков при их
относительной деформации под действием напряжений массива позволило
оценить изменение напряженного состояния пород по мере удаления
вглубь массива от забоя выработки. Для оценки пространственного распо-
ложения зон концентрации напряжений использована безразмерная вели-
чина – относительная глубина 0
у
l
l
R
, где Rу – условный радиус выработ-
ки, м, вч
у
S
R
; l – расстояние от забоя выработки до точки замера, м.
График изменения напряжений впереди забоя выработки в долях от
начальных напряжений γH (γ – объемный вес пород, Н – глубина отработ-
ки пласта) в зависимости от расстояния вглубь массива для различных го-
ризонтов представлен на рис. 1. Анализ показывает, что максимальные
напряжения наблюдаются на расстоянии 0,8–1,0 условного радиуса выра-
ботки, а их величина находится в пределах 2,3–2,7 γH.
Для установления общих закономерностей разрушения пород под дей-
ствием формирующихся напряжений впереди забоя выработки необходимо
сравнение их с предельными значениями прочности пород, характерными
для условий, в которых проводились испытания.
С целью подтверждения, дополнения и обобщения экспериментальных
данных выполнено математическое (численное) моделирование формирова-
ния зон концентрации напряжений впереди забоя выработки. Конечно-
элементная модель полевого уклона ш. им. А.А. Скочинского построена в
программном лицензионном комплексе Phase2, позволяющем оценить
напряженное состояние массива на основе упруго-пластической модели сре-
ды с применением различных критериев прочности. Расчетная схема обла-
Рис. 1. Относительные напряжения в
окрестности забоя выработки в зависи-
мости от расстояния вглубь массива –
685 м, ♦ – 720 м, ■ – 898 м, ▲ – 915 м, ● –
1012 м
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
63
сти, содержащей плоское сечение протяженной выработки, представлена на
рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема модели и конечно-элементная дискретизация области.
Для соблюдения граничных условий рассмотрена область, симметричная
относительно левой вертикальной границы. Отличие рассматриваемой зада-
чи от условий плоской деформации корректируется путем введения допол-
нительных коэффициентов «пригрузки», учитывающих трехмерный эффект
в призабойной области [2].
Калибровка модели в отношении деформационной модели среды осу-
ществлялась путем сравнения с экспериментальными данными расчетных
величин нормальных вертикальных напряжений
y
H
, локализации зоны от-
жима и зоны повышенных напряжений впереди забоя. Для рассмотренных
условий (полевой уклон ЦП ш. им. А.А. Скочинского) наиболее адекватные
результаты получены на основе решения упруго-пластической задачи с ис-
пользованием критерия Кулона Мора.
В результате моделирования установлено, что для полевого уклона сече-
нием 16,2 м2, расположенного на глубине 1300 м, максимум сжимающих
напряжений находится на расстоянии 2,14 м от забоя, что составляет 0,94 от
условного радиуса выработки (рис. 3). Величина максимального вертикаль-
ного напряжения достигает значения 2,8γH. При этом глубина зоны растяги-
вающих напряжений вдоль оси выработки составила 1,04 м, что примерно
составляет 0,5 условного радиуса выработки (рис. 4).
Используя данные геологической службы шахты им. А.А. Скочинского
об изменении прочностных свойств пород с увеличением глубины их зале-
гания и результаты численного моделирования для различных глубин рас-
положения выработки, получим величину, характеризующую разрушае-
мость пород как отношение максимальных напряжений к пределу прочности
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
64
пород на одноосное сжатие 0 max / cR , где cR – предел прочности пород
на одноосное сжатие.
Рис. 3. Распределение нормальных вертикальных напряжений y и положение мак-
симума этих напряжений впереди забоя выработки
Рис. 4. Распределение нормальных горизонтальных напряжений σx и протяжен-
ность зоны отжима угля.
Зависимость данного показателя от глубины заложения выработки имеет
вид монотонно возрастающей функции (рис. 5), приращения которой стано-
вятся малыми на больших глубинах (при H > 1200 м). График изменения с
высокой степенью корреляции (r = 0,99) может быть описан так называемой
сигмоидальной функцией (моделью Ричардса) [3]:
0 0,576
9 0,01
1,4
1 He
.
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
65
Полученная зависимость позволяет определить величину максимальных
напряжений впереди забоя выработки в зависимости от предела прочности
пород на сжатие и глубины залегания выработки:
max 0,576
9 0,01
1,4
1
c
H
R
e
. (1)
Как видно из рис. 5, превышение максимальными напряжениями впереди
забоя выработки величины прочности пород на сжатие имеет место для глу-
бин, больших 900 м. Это означает, что на больших глубинах «снятие»
напряжений в горизонтальной плоскости приведет к разрушению породного
массива. При этом после глубины 1200 м отношение максимума напряжений
к пределу прочности на сжатие меняется незначительно и стремится к вели-
чине 1.4.
Рассмотрим энергию, необходимую для разрушения породного массива
взрывом. Одним из основных свойств, влияющих на затраты энергии по раз-
рушению массива, является его прочность. При испытаниях образцов опре-
деляют, чаще всего, пределы прочности на одноосное растяжение и на одно-
осное сжатие как наиболее полно позволяющие оценивать затраты энергии
на разрушение. Таким образом, для разрушения образца породы необходимо
к нему приложить нагрузку, превышающую предел его прочности.
Допустим, разрушаемый массив характеризуется критической энер-
гоплотностью породы [σ], Дж/м3. Таким образом, для разрушения массива
заданного объема при проведении горной выработки необходимо приложить
энергию Р
захP l S , Дж, (2)
где lзах – глубина заходки, м; S – площадь сечения выработки в проходке, м2.
Любое ВВ характеризуется удельной энергией Е, Дж/кг, затрачиваемой
на разрушение породного массива. Следовательно, разрушение массива за-
данного объема будет происходить при следующем условии:
зах*E m l S , Дж, (3)
Рис. 5. График зависимости показателя
разрушаемости от глубины залегания
выработки
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
66
где m – масса ВВ на заходку, кг.
Роль напряженного состояния породного массива в процессе его разру-
шения такова: в деформируемом теле (массиве) реализуются напряжения,
как способствующие его разрушению (в зоне отжима), так и препятствую-
щие этому процессу (в зоне повышенных напряжений). Окончательно урав-
нение (3) можно записать в следующем виде:
отж напр захP P l S
m
E
, кг, (4)
что позволяет оценить массу ВВ, необходимую для разрушения породного
массива.
Анализируя данные, представленные на рис. 3–5, можно сделать допуще-
ние, что объем пород в зоне отжима составляет примерно 0,25–0,35 от всего
разрушаемого объема. Это позволяет определить средневзвешенную энер-
гоплотность в разрушаемом объеме, которая примерно равна 0,7σmax. Под-
ставляя выражение (1) в (4), с учетом средневзвешенной энергоплотности
окончательно получаем минимальную массу расчетного расхода ВВ, необ-
ходимую для разрушения объема пород в пределах контура выработки на
глубину заложения максимальных напряжений:
max зах зах
расч 0,576
9 0,01
0.7
1
c
H
l S R l S
Q
E
E e
(5)
Таким образом, учитывая практику ведения взрывных работ на глубоких
горизонтах угольных шахт Донбасса, можно сделать вывод о том, что шпу-
ры пересекают как зону отжима, так и зону повышенных напряжений, что
необходимо учитывать при расчете параметров шпуровых зарядов. Если это
не обусловлено технологической необходимостью, оптимальная глубина
шпуров должна быть такой, чтобы они не пересекали зону максимальных
напряжений: зах (0,90–0,96)
S
l
, поскольку размещенный за зоной повы-
шенных напряжений заряд будет расходовать энергию не только на разру-
шение горного массива, но и на преодоление напряжений, «зажимающих»
породу вглубь массива.
Выводы
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Удаление зоны максимальных напряжений вглубь массива не зависит
от глубины заложения выработки и находится на расстоянии 0,90–0,96
условного радиуса выработки, что позволяет обосновывать глубину заходки
при буровзрывной технологии проведения выработки зах (0,90–0,96)
S
l
.
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
67
2. Величина, характеризующая разрушаемость пород как отношение мак-
симальных напряжений к пределу прочности пород на одноосное сжатие σ0 =
= σmax/Rc, описывается сигмоидальной функцией (моделью Ричардса). При
этом превышение максимальными напряжениями впереди забоя выработки
величины прочности пород на сжатие имеет место для глубин, больших 900 м.
Это означает, что на больших глубинах «снятие» напряжений в горизон-
тальной плоскости приведет к разрушению породного массива. При этом
после глубины 1200 м отношение максимума напряжений к пределу прочно-
сти на сжатие меняется незначительно и стремится к величине 1.4.
3. Расчетный расход ВВ на заходку определяется сложной функцией,
учитывающей глубину заложения выработки, ее площадь сечения в проход-
ке и предел прочности на одноосное сжатие.
1. Минделли Э.О. Взрывные работы на глубоких горизонтах шахт / Э.О. Мин-
дерлли, Л.А. Вайнштейн, П.А. Демчук – Донецк: Донбасс, 1971.– 96 с.
2. Сдвижкова О.О. Стійкість підземних виробок у структурно-неоднорідному по-
родному масиві з випадково розподіленими властивостями: Дис... д-ра техн.
наук / О.О. Сдвижкова; Нац. гірн. ун-т. - Дніпропетровськ, 2002. - 336 с. - рус.
3. Сигмоида // Википедия. [2007—2013]. [Електронний ресурс]. – Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/?oldid=53400665.
К.М. Лабінський, О.О. Сдвіжкова, К.В. Кравченко, О.Ю. Галечко
ОЦІНКА НАПРУЖЕНОГО СТАНУ МАСИВУ ПОПЕРЕДУ ВИБОЮ
ВИРОБКИ З МЕТОЮ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВИБУХОВИХ
РОБІТ
У статті виконано аналіз досліджень напруженого стану породного масиву, що
руйнується вибуховим способом. Проведено математичне моделювання зон кон-
центрації напружень попереду вибою виробки. Показано фактори, що впливають на
оптимальну величину західки. Встановлено залежність розрахункових витрат вибу-
хової речовини на західку.
Ключові слова: напружений стан, буропідривна технологія, розрахункові витрати,
глибина західки
K.N. Labinskiy, E.A. Sdvizhkova, K.V. Kravchenko, A.Y. Galechko
EVALUATION OF A STRESS STATE OF MINE ROCK AHEAD THE
FACE OF EXCAVATION FOR GROUNDING THE PARAMETERS OF
EXPLOSIVE WORKS
The analysis of researches of a stress state of mine rock, which was destroyed during explo-
sive works, is shown in this article. The mathematical modelling of formation of zones of
Физико-технические проблемы горного производства 2014, вып. 17
68
stress ahead the face of excavation is conducted. The influence of factors on optimal length of
stope are shown. The dependence of calculated consumption of explosives is developed.
Keywords: stress state, explosion works, calculated consumption, length of stope
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108432 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T18:50:11Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лабинский, К.Н. Сдвижкова, Е.А. Кравченко, К.В. Галечко, А.Ю. 2016-11-03T19:14:08Z 2016-11-03T19:14:08Z 2014 Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ / К.Н. Лабинский, Е.А. Сдвижкова, К.В. Кравченко, А.Ю. Галечко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2014. — Вип. 17. — С. 61-67. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108432 622.235+622.236.4 В статье выполнен исследований напряженного состояния породного массива, разрушаемого взрывным способом. Проведено математическое моделирование формирования зон концентрации напряжений впереди забоя выработки. Показаны факторы, влияющие на оптимальную величину заходки. Установлена зависимость расчетного расхода взрывчатого вещества на заходку. У статті виконано аналіз досліджень напруженого стану породного масиву, що руйнується вибуховим способом. Проведено математичне моделювання зон концентрації напружень попереду вибою виробки. Показано фактори, що впливають на оптимальну величину західки. Встановлено залежність розрахункових витрат вибухової речовини на західку. The analysis of researches of a stress state of mine rock, which was destroyed during explosive works, is shown in this article. The mathematical modelling of formation of zones of stress ahead the face of excavation is conducted. The influence of factors on optimal length of stope are shown. The dependence of calculated consumption of explosives is developed. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Прогноз и управление состоянием горного массива Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ Оцінка напруженого стану масиву попереду вибою виробки з метою обгрунтування параметрів вибухових робіт Evaluation of a stress state of mine rock ahead the face of excavation for grounding the parameters of explosive works Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ Лабинский, К.Н. Сдвижкова, Е.А. Кравченко, К.В. Галечко, А.Ю. Прогноз и управление состоянием горного массива |
| title | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| title_alt | Оцінка напруженого стану масиву попереду вибою виробки з метою обгрунтування параметрів вибухових робіт Evaluation of a stress state of mine rock ahead the face of excavation for grounding the parameters of explosive works |
| title_full | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| title_fullStr | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| title_full_unstemmed | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| title_short | Оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| title_sort | оценка напряженного состояния массива впереди забоя выработки с целью обоснования параметров взрывных работ |
| topic | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| topic_facet | Прогноз и управление состоянием горного массива |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108432 |
| work_keys_str_mv | AT labinskiikn ocenkanaprâžennogosostoâniâmassivavperedizaboâvyrabotkiscelʹûobosnovaniâparametrovvzryvnyhrabot AT sdvižkovaea ocenkanaprâžennogosostoâniâmassivavperedizaboâvyrabotkiscelʹûobosnovaniâparametrovvzryvnyhrabot AT kravčenkokv ocenkanaprâžennogosostoâniâmassivavperedizaboâvyrabotkiscelʹûobosnovaniâparametrovvzryvnyhrabot AT galečkoaû ocenkanaprâžennogosostoâniâmassivavperedizaboâvyrabotkiscelʹûobosnovaniâparametrovvzryvnyhrabot AT labinskiikn ocínkanapruženogostanumasivupopereduviboûvirobkizmetoûobgruntuvannâparametrívvibuhovihrobít AT sdvižkovaea ocínkanapruženogostanumasivupopereduviboûvirobkizmetoûobgruntuvannâparametrívvibuhovihrobít AT kravčenkokv ocínkanapruženogostanumasivupopereduviboûvirobkizmetoûobgruntuvannâparametrívvibuhovihrobít AT galečkoaû ocínkanapruženogostanumasivupopereduviboûvirobkizmetoûobgruntuvannâparametrívvibuhovihrobít AT labinskiikn evaluationofastressstateofminerockaheadthefaceofexcavationforgroundingtheparametersofexplosiveworks AT sdvižkovaea evaluationofastressstateofminerockaheadthefaceofexcavationforgroundingtheparametersofexplosiveworks AT kravčenkokv evaluationofastressstateofminerockaheadthefaceofexcavationforgroundingtheparametersofexplosiveworks AT galečkoaû evaluationofastressstateofminerockaheadthefaceofexcavationforgroundingtheparametersofexplosiveworks |