УДК 622.016
Фам Ван Тхыонг
аспирант кафедры СПСиШ
Московский государственный горный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТОК ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДОМ
RESEARCH STATE STRESS-DEFORMATION IN ROCK MASS AROUND UNDERGROUND CONSTRUCTION BY NUMERICAL METHOD
1. Общие положения
Основными направлениями развития Вьетнамской угольно-минеральной группы компаний на 2010¸2015 гг. и на период до 2020 г. предусмотрено довести добычу угля до 70-76 млн. т в год. Ежегодно глубины разработки подземных шахт возрастают: предполагаемые средние глубины подземных шахт 2010 г. -100 м; 2015 г. -300 м; 2020 г. -500 м. Горно-геологические условия, в которых сооружаются капитальные горные выработки, постоянно усложняются. Поэтому исследования напряженно-деформированного состояния вокруг выработок с целью выбора оптимального вида крепи являются актуальными и первоочередными.
В настоящее время во Вьетнаме отсутствует методика определения напряжений и смещений массива пород вокруг горных выработок в зависимости от глубины их расположения. Программа “Phase 2” позволяет решать задачи и анализировать их результаты в любом лиапазоне глубин и прочностных параметров горных пород, в которых изменяется глубина расположения горных выработок. В данной статье рассматриваются закономерности механики пород вокруг горных выработок в зависимости от глубины расположения горных выработок.
2. Модель расчета напряженно-деформированного состояния в зависимости от глубины расположения горных выработок
В расчетах используем реальные горно-геологические условия месторождения Хэтам-Куангнинь, в стратиграфии которого сопротивление сжатию горных пород колеблется в широком диапазоне, но наиболее часто встречаемые породы имеют сопротивление сжатию 20 МПа. Поэтому автор исследует напряженно-деформированное состояние массива, физико-механические свойства которого приведены в табл. 1. Площадь поперечного сечения выработок в проходке Sпр= 13 м2, глубина расположения горных выработок Н = 300¸600 м, зона исследования рассматривается на расстоянии 3 х радиусов от кромки выработки (рис. 2).
Таблица 1
Физико-механические свойства горных пород, моделируемые в программе “Phase 2” в зависимости от глубины от 300¸600 м.
|
№ п/п |
Показатель |
Значение физико-механических свойств горных пород |
|
1 |
Предел прочноти на одноосное сжатие, Rсж ,МПа |
20 |
|
2 |
Предел прочности на одноосное растяжение, Rр, МПа |
3,6 |
|
3 |
Индекс геологической прочности GSI |
40 |
|
4 |
Сцепление, МПа |
4,24 |
|
5 |
Модуль упругости, Е, МПа |
55 .103 |
|
6 |
Коэффициент Пуассона, m |
0,35 |
|
7 |
Объёмная плотность, g, МН/м3 |
2,0.10-2 |
|
8 |
Угол внутреннего трения j, град. |
44,02 |
|
10 |
Угол остаточного трения jос, град. |
45,02 |
|
11 |
Угол дилатации y, гад. |
5,5 |
|
12 |
Соотношение начального поля напряжения, σч/σq |
1 |
|
13 |
Критерий нарушения |
Кулона - Мора |
|
14 |
Форма материала |
Пластик |
|
15 |
Площадь сечения горной выработки в проходке Sпр, м2. |
13 |
|
16 |
Глубина расположения горных выработок Н, м. |
300 ¸ 600 |
Поверхность земли Поверхность земли
А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400 м
Поверхность земли Поверхность земли
В) Глубина – 500 м Г) Глубина – 600 м
Рис. 1: Расчетные схемы.
3. Результаты расчета задач программой “Phase 2”
Расчеты напряженно-деформированого состояния массива горных пород вокруг выработок выполнения в соответствии его схемой на рис. 2. Обработка результатов расчетов увидена на рис. 3 и 4. Численные решения результатов расчетов приведены на табл. 2. По результатами расчетов были построены задачи распределяемых напряжений вокруг горных выработок (рис. 5, 6) и смещений массива горных пород рис. 7.
Рис. 2. Расчетная схема напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок
А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400
В) Глубина – 500 Г) Глубина – 600
Рис. 3. Распределение вертикальных напряжений sq массива горных пород вокруг выработок в зависимость от глубины их расположения
А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400
В) Глубина – 500 Г) Глубина – 600
Рис. 4. Распределение горизонтальных напряжений sч массива горных пород вокруг выработок в зависимости от глубины их расположения
А) Глубина – 300 м Б) Глубина – 400
В) Глубина – 500 Г) Глубина – 600
Рис. 5. Распределение величины смещений массива горных пород вокруг выработок в зависимости от глубины их расположения
Результаты анализа задачи при Rсж = 20 МПа, Н = (300¸600)м, Sпр = 13,0м2
Численные знания напряженно-деформированного значения массива горных пород в зависимости от глубины заложения выработок и угла наклона рассматриваемой оси
Таблица 2
|
Н, м |
00 |
450 |
900 |
-450 |
-900 | ||||||||||
|
1R |
2R |
4R |
1R |
2R |
4R |
1R |
2R |
4R |
1R |
2R |
4R |
1R |
2R |
4R | |
|
Значение вертикального напряжения σq в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси | |||||||||||||||
|
300 |
8,5 |
7 |
6,25 |
9,25 |
7 |
5,5 |
9,25 |
7 |
5,5 |
19 |
6,25 |
6,25 |
4 |
7 |
6,25 |
|
400 |
11,85 |
9,95 |
8,05 |
12,8 |
9 |
8,05 |
11,85 |
9 |
8,05 |
25,15 |
9 |
8,05 |
5,2 |
9 |
8,05 |
|
500 |
15 |
12 |
10,5 |
15 |
12 |
10,5 |
15 |
12 |
10,5 |
31,5 |
10,5 |
10,5 |
6 |
12 |
10,5 |
|
600 |
16,5 |
15 |
12 |
18 |
13,5 |
12 |
18 |
13,5 |
12 |
36 |
13,5 |
12 |
7,5 |
13,5 |
12 |
|
Значение вертикального напряжения σч в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси | |||||||||||||||
|
300 |
0,3 |
4,5 |
5,4 |
0,6 |
3,9 |
5,1 |
0,6 |
3,9 |
5,1 |
6,9 |
5,1 |
5,7 |
0 |
2,4 |
5,1 |
|
400 |
0,4 |
6 |
7,2 |
0,8 |
5,2 |
6,8 |
0,8 |
5,2 |
6,8 |
9,6 |
6,8 |
7,6 |
0 |
3,2 |
6,8 |
|
500 |
0,1 |
7,3 |
9,1 |
1,3 |
6,7 |
8,5 |
0,7 |
6,7 |
8,5 |
12,1 |
8,5 |
9,1 |
0,1 |
4,3 |
8,5 |
|
600 |
0,6 |
9 |
10,8 |
1,2 |
7,8 |
10,2 |
1,2 |
7,8 |
10,2 |
13,8 |
10,2 |
11,4 |
0 |
4,8 |
9,6 |
|
Значение смещения в массиве горных пород в зависимости от глубины и угла наклона рассматриваемой оси | |||||||||||||||
|
300 |
11,2 |
4,2 |
1,4 |
11,9 |
5,6 |
2,1 |
12,6 |
6,3 |
2,1 |
7 |
3,5 |
1,4 |
16,1 |
9,1 |
2,8 |
|
400 |
15,2 |
5,7 |
1,9 |
16,1 |
7,6 |
2,85 |
17,1 |
8,55 |
2,85 |
9,5 |
4,75 |
1,9 |
22,8 |
11,4 |
3,8 |
|
500 |
19,5 |
7,5 |
3 |
21 |
10,5 |
4,5 |
21 |
10,5 |
4,5 |
12 |
6 |
1,5 |
28,5 |
15 |
4,5 |
|
600 |
22,5 |
9 |
3 |
25,5 |
12 |
4,5 |
25,5 |
12 |
4,5 |
13,5 |
7,5 |
3 |
34,5 |
18 |
6 |
Рис. 6. Графики распределения напряжения sq-sч горных пород вокруг на глубинах от 300 до 600 м., А)- вариант
Рис. 7. Графики смещения горных пород вокруг горных выработок на глубинах от 300 до 600м.
Рис. 8. Эпюра распределения напряжения sq вокруг горных выработок в зависимость от расстояния до контура выработки
Рис. 9. Эпюра распределения напряжения sч горных пород вокруг на глубинах от 300 до 600 м
Рис. 10. Графики максимальных напряжений σq-σч контура горных выработок на глубинах от 300 до 600 м.
Рис. 11. Графики максимальных смещений контура горных выработок на глубинах от 300 до 600 м.
Выводы и рекомендации:
Вышеизложенные аналитические результаты, заданные программой “Phase 2” в главе 3 позволили сформулировать следующие выводы:
- Глубина расположения горных выработок оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние массива горных пород вокруг горных выработок, которое изменяется в 1,89 раза (см. рис.10, 11).
- Напряжения в массиве и смещения горных пород уменьшаются в зависимости от расстояния до центра выработки и стабилизируются на расстоянии 4 радиуса выработки (см. рис. 6, 7). Таким образом, благодаря численному методу мы можем увидеть и анализировать распределение напряжений вокруг выработок.
Литература
1. Картозия горных выработок в сложных горно-геологических условиях. Справочник. – М.: Недра, 1992.
2. Булычев подземных сооружений в примерах и задачах. – М.: Недра, 1989.
3. Rocscience Inc. Phase2 Tutorial, 2006.
Аннотация
В статье проанализировано увеличение напряжения в горных породах при увеличении глубины расположения горных выработок. Определена закономерность напряжений распределения в массиве горных пород при увеличении глубины расположения горных выработок. Показаны величины напряжений и смещений внутрь массива в зависимости от расстояния от контура горных выработок.
In this paper pridicts and analysis increasing stress in rock mass when increasing the depth location of tunnels. Definision equation distribution of stress and deformation in rock around tunnels when increasing the depth locate tunnels and shows the values stress and deformation in rock mass depending on distance from boundary of tunnels to the rock mass.
Ключевые слова
строительство подземных сооружений и шахт, буровзрывной способ, комбайн, напряжения, смещения, закономерность
construction of underground construction and mining, drilling and blasting method, combine, stress, deformation, equation
