Введение к работе
Актуальность работы. Развитие горной науки связано с созданием новых систем разработки месторождений полезных ископаемых, отвечающих жестким требованиям как по обеспечению необходимого уровня производственных мощностей предприятий и рациональному использованию природных богатств, так и по охране окружающей среды, безопасности труда. Одной из наиболее перспективных технологий является разработка месторождений с грузонесущей твердеющей закладкой.
На первых этапах внедрения эта технология использовалась лишь при разработке весьма ценных и редких полезных ископаемых, а к настоящему времени, за счет использования более дешевых закладочных материалов и совершенствования технологии закладочных работ, она начала успешно применяться для разработки рядовых руд и каменных углей.
Перспективность технологии с грузонесущей твердеющей закладкой требует разработки новых методических подходов для уточнения напряженно-деформированного состояния технологических элементов системы разработки при выборе рациональных параметров по геомеханическому фактору. Формирование и изменение состояния отрабатываемого участка шахтного поля обусловлено стадийным характером очистных (закладочных) работ, образованием единой пространственно-временной системы порода-закладка с различными деформационными и прочностными свойствами.Технологическая наследственность геомеханичёского состояния системы, определяемая предысторией накопления де<рормаций, смещений и
перераспределением напряжений от стадии к стадии является важной особенностью при технологии отработки с твердеющей закладкой.
Применение методик определения напряженно-деформированного состояния, не учитывающих указанных особенностей приводит либо к расчету некоторых технологических параметров с большим коэффициентом запаса, что экономически нецелесообразно, либо к трудно оцениваемому технологическому риску принимаемых решений, что может не обеспечить безопасность горных работ.
Для более экономичного и безопасного ведения очистных и закладочных работ необходима оценка геомеханического состояішя на любой промежуточной стадии отработки. Для осуществления стадийного расчета необходимо поставить наследственную, пространственно-временную задачу и решать ее последовательно по стадиям выемки-закладки от начала до окончания работ. Граничные условия для расчета последующей стадии должны соответствовать состоянию участка разномодульного массива, сложившемуся к моменту окончания отработки предыдущей стадии.
Цель исследования состоит в разработке методики математического моделирования геомеханических процессов постадийной разработки месторождений с грузонесущей твердеющай закладкой.
Идея работы. Для систем разработки с грузонесущей твердеющей закладкой напряженно-деформированное состояние массива должно определяться с учетом изменяющейся технолопгческой наследственности, обусловленной стадийностью очистных, особенно закладочных работ.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами комплексных тем N497 и 568 министерства Среднего машиностроения. В них входит НИР ВНИПИ Промтехнодоши по теме 613/1Д "Прогноз геоме-хаюртеских процессов при интенсивной разработке крутопадающих удароопасных месторождений п/я А-1768 (исходные данные для проектирования), содержащая хоз-/дог. темы СПбГГИ N101/86 и N105/81.
Научные положения, защищаемые автором :
-
Граничные условия для каждой стадии задаются после завершения расчета напряженно-деформированного состояния предыдущей стадии, анализа пространственного положения контура извлекаемого участка и определения велігчиньї и направления "дополнительных" напряжении.
-
Математическим аппаратом для исследования стадийных наследственных процессов является разработанный автором модифицированный метод конечных элементов, учитывающий особенности геомеханического состояния путем циклического использования стандартного метода и задания переменных граничных условий на каждой стадии расчета.
3. Для исследования напряженно-дефомированного
состояния технологических элементов системы разраоотки
с грузонесущей твердеющей закладкой необходимо исполь
зовать математическую модель отрабатываемого участка
шахтного поля, разработанную на базе модифицированного
метода конечных элементов.
4. Проведенные исследования доказали необходи
мость применения методики как самостоятельного инст
румента исследований в научно-исследовательских и
проектных работах, дающего уточненные характеристики
напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки. Алгоритм стадийного расчета является основой математического обеспечения геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.
Научная новизна работы :
-
Получены аналитические выражения для описания граничных условий с учетом стадийного характера очистных (закладочных) работ и технологической наследственности геомеханического состояния при отработке месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.
-
Разработан алгоритм постадийного расчета на-пряженно-десрормированного состояния системы вмещающие породы-закладочный массив для математического обеспечения гемеханического мониторинга месторождений, отрабатываемых по данной технологии.
Практическая ценность работы :
-
Использование разработанной методики позволяет проводить многовариантные расчеты и принимать научно обоснованные решения по выбору параметров системы разработки с учетом геомеханического фактора, что улучшает технико-зкономические показатели работы предприятия и уменьшает степень риска принимаемых решений.
-
Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, применены предприятием Приаргуньс-кого горно-химического комбината при рабочем проектировании отработки блока 6A-8I2, а также при совершенствовании технологии в действующих очистных блоках, отрабатываемых с двух подэтажей.
3. Предлагаемый вариант мониторинга даст воз
можность получать прогнозные оценки состояния вмещаю
щего и закладочного массива, а также отслеживать
текущие изменения напряженно-десрормированного состо
яния и своевременно корректировать проектные
параметры.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается :
представительностью исходных данных,
большим объемом использованных экспериментальных и аналитических исследований,
удовлетворительной сходимостью результатов расчета с данными эксперимента и имеющимися данными натурных наблюдений.
Личный вклад автора:
Автором получены аналитические выражения для описания граничных условий с учетом стадийности технологического процесса и предыстории изменения геомеханического состояния отрабатываемого месторождения при ведении очистных (закладочных) работ.
Разработана обобщенная математическая модель месторождения, алгоритм и программный комплекс для модификации метода конечных элементов. Создано инфюр-мационное обеспечение модели, организован диалоговый режим работы "ЭВМ-пользователь".
Разработана методика построения расчетной схемы модели и проведения исследований геомеханических процессов при ведении горных работ.
Проведены сопоставительные исследования проявлений горного давления с использованием математической модели и моделей из эквивалентных материалов.
Оценена погрешность метода и полученных результатов, подтверждена правомерность принятых допущений.
Обосновано применение методики для научно-ис-ледовательских и проектных работ и для геомеханического мониторинга отработки месторождения с грузонесущей твердеющей закладкой.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Методика использовалась для расчетов в НИР по теме: "Прогноз геомеханических процессов при интенсивной отработке крутопадающих удароопасных месторождений предприятия Приаргуньский горно-химический комбинат" (исходные данные для проектирования). В результате работы выпущены "Рекомендации по геомеханическому обоснованию и порядку ведения очистных работ несколькими слоями на разных уровнях в блоке для условий предприятия, и "Рекомендации по выбору параметров закладки и крепи для блока 6А-812". "Рекомендации..." предназначены для использования при рабочем и перспективном проектировании и составлении нормативных и руководящих матириалов предприятия. Они использованы предприятием при рабочем проектировании отработки блока 6А-812, а также при совершенствовании технологии в действующих очистных блоках, отрабатываемых с двух подэтажей. "Рекомендации...", включенные составной частью в "Изменения и дополнения к временной инструкции по ведению горных работ в предохранительных зонах предприятия", направлены на достижение безопасных условий отработки по геомеханическому фактору.
Результаты работы по теме внедрены на предприятии Приаргуньского горно-химического комбината в 1987г.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научных семинарах кафедры разработки пластовых месторождений, на научно-методических семинарах предприятия и ВНИПИ Промтехнологии и на конференции по проблемам геологии, горной науки и производства.
Публикации.
По результатам выполненных исследований в открытой печати опубликовано семь работ.
Объем работы.
Диссертационная работа представлена на 126 страницах, содержит 34 рисунка, 8 таблиц, список использованной литературы из 74 наименований.
Диссертационная работа выполнена в течении 1986-1994 г.г. в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) на кафедре разработки пластовых месторождений под руководством доктора технических наук, профессора А.А. Борисова.
На всех этапах работы диссертант пользовался консультациями доцента, кандидата технических наук С.Н. Суглобова и старшего преподавателя, кандидата технических наук Е.Д. Кочеткова.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории физических проблем кафедры при участии А.Н. Филиппова, А.В. Горшкова, С.А. Голика и других.
Теоретические разработки выполнены автором са мостоятельно.