Методы исследования геомеханических процессов реферат

Обновлено: 30.06.2024

Моделирование как метод научного исследования получило развитие в середине девятнадцатого столетия. До этого ряд ученых на основе интуитивных соображений зачастую обращались при решении отдельных задач, в основном, строительных и архитектурных. Познавательные возможности таких моделей были довольно ограниченными, на что обратили свое внимание еще ученые средневековья Леонардо да Винчи и Галилео Галилей.

В Х1Х в. начинается период от спорадического применения моделей, при котором исследователь руководствовался лишь собственным чутьем и весьма непосредственными соображениями, обобщающие его собственный по необходимости ограниченный опыт, к систематическому применению моделирования, оказавшемуся возможным и плодотворным благодаря активизирующейся в это время разработке теоретических основ моделирования. С помощью моделей начинается изучение все более глубоких связей и отношений объективного мира. Успехи на этом пути привели к постепенному превращению моделирования из полуэмпирического способа исследований, которым пользовались некоторые ученые при решении частных задач, в метод научного исследования, широко используемый в физике, химии, технических и других науках. Были разработаны положения теории подобия, которые явились основой применения моделей в таких областях науки, как теплотехника, гидродинамика, строительная механика, гидродинамика, строительная механика, физика твердого тела и др.

Разработка математически точной теории подобия способствовала внедрению в научное мышление этого стиля исследований, который широко распространен в современной науке и который предполагает смелое, инициативное, но в то же время научно обоснованное использование одной, более развитой отрасли науки для решения задач другой; и в это же время применение теории подобия требовало более высокого уровня развития абстрактного мышления и наличия значительного количества фактов из различных областей науки.

Как блестящий образец использования моделирования, следует отметить разработку гениальным механиком-самоучкой И.П.Кулибиным проекта однопролетного арочного моста через р. Нева в Петербурге в конце XVIII в. Мост длиной 300 м должен был быть выполнен из дерева. Изобретатель построил модель моста 1/10 натурных его размеров и испытал ее под нагрузкой в 3870 пудов (61,92 т.) в течение 28 дней, при этом в модели не обнаружилось никаких изменений. Модель Кулибина просуществовала более 30 лет, выполняя в последствии роль одного из мостов Таврического сада. Важно отметить, что Кулибин при испытании своей модели правильно решил задачу о редуцировании нагрузки в соответствии с линейным масштабом модели и с учетом реологических свойств древесины.

Во второй половине Х1Х в. началось интенсивное применение моделей в различных областях физики. К этому времени законы механики были достаточно хорошо изучены и для большинства физиков объяснять явление значило построить его механическую модель.

Именно так поступил Дж. К. Максвелл, сформулировав важнейшие законы электродинамики на основе своих электромеханических аналогий. Модели Максвелла явились одними из первых в длинном ряду теоретических моделей, которым предстояло сыграть выдающуюся роль в развитии физики и других областей научного значения. В частности, электромеханические аналогии могут быть использованы как мощный инструмент при решении сложных задач петромеханики.

В качестве моделей используются довольно крупные и сложные объективно существующие устройства, природные объекты, знаковые системы постоянно возрастающей сложности разнообразные объекты, существующие лишь в сознании исследователей.

В настоящее время в энергетике, авиации и космонавтике, в кораблестроении, теплотехнике, гидротехнике, и ряде других отраслей науки моделирование является основным методом исследований.

Показательным примером стал эксперимент, осуществленный в Институте физики Российской Академии Наук, в ходе которого на модели из фотоупругих материалов было воспроизведено одно из грозных явлений природы – извержение вулканов. Это дало возможность изучить перераспределение напряжения в земной коре и раскрыть некоторые стороны механизма вулканической деятельности.

Наибольший вклад в разработку теории моделирования внесли такие ученые как Кирпичев М.В., Седов Л.И., Павловский Н.Н., Гухман А.А., Михеев М.А., Насонов И.Д., Ньютон, Коши, Рейнольдс, Эйлер, Вебер, Рекле, Грасгоф, Прандль, Фруд, Фурье, Нуссельт и др.

Моделирование как метод исследования имеет целью воспроизведение на модели процесса, подобного процессу в натуре. Этот метод позволяет на уменьшенной или увеличенной модели провести качественные и количественные исследования интересующего нас процесса в натуре, который часто бывает малодоступным или вовсе недоступен для более или менее детального исследования.

Второе назначение метода чаще встречается в производственной деятельности и отвечает, например, задаче изучения вновь запроектированного технологического процесса или какого-либо устройства на его модели.

В науке основной целью моделирования является познание посредством модели объективной действительности этого или иного физического процесса и изучение возможности управления им.

Таким образом, под термином моделирование понимается сам процесс, прием, метод. Модель же является средством познания объективной действительности и под этим термином надо понимать предмет или специальное устройство, искусственно созданное человеком для изучения, интересующего нас объекта.

В зависимости от способа построения и средств модели разделяют на две группы: технические, или материальные, модели и воображаемые или идеальные модели. Между этими группами моделей имеется тесная связь. Прежде чем построить техническую или материальную модель, последняя существует первоначально в голове исследователя как некоторая теоретическая схема, и в этом смысле она является идеальной (воображаемой).

Различают два типа идеальных моделей – модели из чувственно наглядных элементов (упругих шаров, пружин, цилиндров, рычагов и т.д.) и модели из специальных знаковых систем для машинных переходов.

Модели первого типа являются структурными (рис. 1.1), изображающими реологические свойства среды. Они служат для изучения механизма какого-либо сложного физического процесса с входящими в него элементами (изучение физико-механических свойств горных пород).

Рис. 1.1. Сложные механические модели физических тел (горных пород):
а – Максвелла; б – Фойта (Кельвина); в – Пойтинга-Томсона (Зенера);
г – Бургарса; д – Шведова-Бингама

Эти комбинации составлены из идеальных сред (рис. 1.2)

Рис.1.2. Простые идеальные модели физических тел (горных пород)

1 – Гука (упругая модель); 2 – Ньютона (вязкая модель);

3 – Сен-Венона (модель пластичного тела)

Материальные модели по существу являются макетами реальных объектов, в которых воспроизводят те же самые физические процессы или им аналогичные. Для изготовления моделей применяют как материалы натуры, так и материалы физической природы. Такие модели позволяют решить ряд весьма сложных и важных практических задач.

Таким образом, моделирование в познании реальной действительности является звеном, связывающим теорию с практикой: теория – идеальная модель – эксперимент (моделирование) – действительность.

В современных научных исследованиях применяют три вида моделирования: физическое, математическое и функциональное. Наиболее широкое применение в технических науках получили два первых вида моделирования, которые будут нами рассматриваться.

Таким образом, метод моделирования– изучение явлений с помощью моделей – один их основных в современных исследованиях. Основой моделирования является положение о том, что единство природы обнаруживается в поразительной аналогичности дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений.

При физическом моделировании физика явлений в объекте, модели и их математические зависимости одинаковы. При математическом моделировании физика явлений может быть различной, а зависимости одинаковыми. Математическое моделирование приобретает особую ценность, когда возникает необходимость изучить особо сложные процессы.

При построении модели свойства и сам объект обычно упрощают, обобщают. Чем ближе модель к оригиналу, тем удачнее она описывает объект, тем эффективнее теоретическое исследование и тем ближе полученные результаты к принятой гипотезе исследования.

Модели могут быть физические, математические, натурные. Физические модели позволяют наглядно представлять протекающие в натуре процессы. С помощью физических моделей можно изучать влияние отдельных параметров на течение физических процессов.

Математические модели позволяют количественно исследовать явления, трудно поддающиеся изучению на физических моделях.

Натурные моделипредставляют собой масштабно изменяемые объекты, позволяющие наиболее полно исследовать процессы, протекающие в натурных условиях.

Стандартных рекомендаций по выбору и построению моделей не существует. Модель должна отображать существенные явления процесса. Мелкие факторы, излишняя детализация, второстепенные явления и т. п. лишь усложняют модель, затрудняют теоретические исследования, делают их громоздкими, нецеленаправленными. Поэтому модель должна быть оптимальной по своей сложности, желательно наглядной, но главное – достаточно адекватной, т.е. описывать закономерности изучаемого явления с требуемой точностью. Естественно, что при построении модели необходимо учитывать особенности исследуемого явления: линейность и нелинейность, детерминированность и случайность, непрерывность и дискретность и др.

Для построения наилучшей модели необходимо иметь глубокие и всесторонние знания не только по теме, смежным наукам, но и хорошо знать практические аспекты исследуемой задачи.

В отдельных случаях модель исследуемого явления может быть ограничена лишь описанием сущности. Так, при изучении укрепления грунтов физико-химическую сущность взаимодействия минералов грунта с вяжущими материалами представить в виде математической модели очень трудно из-за большой сложности процесса. Однако по мере накопления научных данных, постепенно методы их изучения будут заменяться математическими. Это закономерно, поскольку наука может достичь наибольшего совершенства лишь при широком использовании математических методов.

Изучить и проанализировать объект наиболее полно можно лишь при условии, что его модель представлена описанием физической сущности и имеет математический вид. Рассмотрим примеры по составлению моделей.

Анализируя работу грунтов, горных пород, строительных материалов и конструкций, необходимо знать закономерности деформирования их элементов. В зависимости от вида и характера нагрузки, свойств материала элемента могут быть различные условия деформирования, модель которой приведена на рис.1.3. Модель 1, представленная пружиной, характеризует упругие свойства и подчиняется закону Гука – величина деформации пропорциональна прилагаемой нагрузке Р. Такой закон деформирования характерен для твердых упругих тел.

Модель 2, представленная движением поршня в заполненном вязкой жидкостью цилиндра, характеризует вязкие свойства тел. Деформации тел в данном случае происходят медленно, развиваясь во времени, и подчиняются закону Ньютона – сопротивление пропорционально скорости деформирования.

При параллельном соединении двух моделей
1-2 в единое целое имеем модель деформирования упруго-вязкого тела, что характерно для строительных материалов и конструкций. Такое деформирование подчиняется закону Кельвина.

Математическая модель, соответствующая физической модели (см. рис. 3), может быть представлена в виде

где – нагрузки при упругом сжатии пружины в вязком сопротивлении жидкости соответственно;

– модуль упругости и относительная деформация пружины;

Решая (1.1) при , имеем

Зависимость (1.2) в ряде случаев хорошо согласуется с экспериментом и позволяет изучить законы деформирования упруго-вязких материалов, (грунтов, бетонов, горных пород и др.).

Приведенный пример иллюстрирует процесс познания в соответствии с формулой – от живого созерцания (наблюдение за поведением материала) к абстрактному мышлению (физическая – рис.1.3 и математическая модель уравнения (1.2) и от него к практике. Рассмотренная модель соответствует функциональной зависимости, когда одному значению аргумента соответствует только одно значение функции. Однако в природе встречаются процессы, когда одному значению аргумента соответствует несколько значений функции вследствие действия на явление различных случайных факторов.

Физическая модель, характеризующая закон вероятностного распределения песка, который вытекает из лейки через решето в ящик с вертикальными секциями, приведена на рис. 1.4.

Наблюдения показывают, что распределение песка в ящике подчиняется закону нормального распределения:

где у – ордината, частота распределения песка;

х – абсцисса, номер секции в ящике, отсчитываемой от середины;

Выражение (1.3) является математической моделью вероятностного процесса физической модели, приведенного на рис.1. 4.

В последнее время широкое распространение получили модели, обеспечивающие оптимизацию технологических процессов и их управления.

В связи с этим, рассмотрим так называемую транспортную задачу.

Пусть имеется А₁, А₂, А₃ объектов строительства, потребляющих соответственно а₁, а₂, а₃ щебня (рис. 1.5). В местах В₁ и В₂ есть притрассовые карьеры с запасами щебня в₁ и в₂. При этом а₁ + а₂+ а₃ = в₁+ в₂. Стоимость единицы продукции из карьера В₁ на объект А₁ равна С₁₁, А₂ – С₁₂ на объект А₃ – С₁₃. Общее количество щебня x_ij,, транспортируемое на объект А_i из карьера B_i равно

где а₁, а₂, а₃ – потребности щебня на объектах.

В системе (1.4) первое уравнение означает количество щебня, транспортируемое на объект А₁ из карьеров В₁ и В₂; второе – на объект А₂. Последнее уравнение – количество щебня, доставляемое на объекты А₁, А₂ , А₃ из карьера В₂.

Все исходные данные сведены в матрицу условия задачи (табл. 1.1).

Карьеры	Объекты	Запасы
А₁	А₂	А₃
В₁	С₁₁ х₁₁	С₁₂ х₁₂	С₁₃ х₁₃	в₁
В₂	С₂₁ х₂₁	С₂₂ х₂₂	С₂₃ х₂₃	в₂
Общая потребность	а₁	а₂	а₃

Требуется определить наиболее выгодный (экономичный вариант перевозки щебня.

В этом случае численными методами с помощью линейного программирования и ЭВМ находят функцию, которая удовлетворяет условию

Уравнение (1.5) является математической моделью, позволяющей оптимизировать транспортный процесс. Физическая модель изображена на рис.1.5.

В теоретических исследованиях применяют модели-аналоги и модели-подобия. Основываясь на подобии или аналогии объектов, процессов и т.п., изучают экспериментально теоретическим путем явления на модели, а затем с помощью соответствующего математического аппарата устанавливают закономерности в натуре.

Электрическая модель-аналог для изучения напряженно-деформированного состояния балки на двух опорах приведена на рис. 1.7.

Реакции на опорах балки вычисляются по формулам

Силу тока на входе и выходе электрической цепи вычисляют аналогично:

Таким образом, меняя силу тока I₁, I₂ и сопротивление R₁, можно изучать реакцию опор балки в зависимости от величины Р₁ и Р₂.

Модели подобия используют давно. Например, нет необходимости теоретически вычислять или непосредственно измерять величину Н Останкинской башни в Москве. Для этой цели достаточно использовать простейшую модель – треугольник и с помощью теоремы о подобии треугольников путем измерения расстояния к башне Z определить ее высоту по формуле

где K_р – критерий подобия, равный K_р = Z : l ( l – сторона треугольника).

Аналогичный прием широко используют и при исследовании процессов, но критерий подобия и уравнения в этом случае значительно сложнее. Анализ многообразных физических моделей изучаемых процессов исследуется математическими методами, которые могут быть разделены на такие основные группы:

Аналитические методыисследования (элементарная математика, дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление и другие разделы высшей математики), используемые для изучения непрерывных детерминированных процессов.

Методы математического анализа с использованием эксперимента (метод аналогий, теория подобия, метод размерностей) и др.

Вероятностно-статистические методы исследования (статистика и теория вероятностей, дисперсионный и корреляционный анализы, теория надежности, метод Монте-Карло и др.) для изучения случайных процессов – дискретных и непрерывных.

Дальнейшее развитие горной науки настоятельно требует наряду с проведением теоретических исследований все более широкого применения методов моделирования и, главным образом, дальнейшего развития методов математического моделирования, опережающего по сравнению с развитием физического моделирования и натурного экспериментирования.

Роль добычи полезных ископаемых в наращивании экономического потенциала Казахстана и решении крупных социальных проблем. Эксплуатационная надежность подземных горных работ. Анализ напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг выработки.

Рубрика	Геология, гидрология и геодезия
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	22.05.2018
Размер файла	273,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Исследования геомеханического состояния массива вокруг горных выработок

С.К. Тутанов, Т.К. Исабек, В.Ф. Демин,

В.В. Журов, Е.Т. Исабеков

Добыча полезных ископаемых играет важную роль в наращивании экономического потенциала Республики Казахстан и решении крупных социальных проблем.

В настоящее время осваиваются новые месторождения, реконструируются и модернизируются действующие предприятия, повышается их производительность, из года в год продолжает расти добыча угля, руды. ископаемое горный подземный выработка

Одной из характерных особенностей подземной добычи полезных ископаемых, особенно угля, является значительное усложнение горно-геологических условий. В этом ряду особняком стоит проблема разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности подземных горных работ в условиях разработки выбросоопасных пластов, во многом зависит от степени совершенства используемых методов прогнозирования геомеханических процессов в окружающих породных массивах, а также методов их расчета [1].

Эксплуатационная надежность подземных горных работ есть способность объекта (очистного или подготовительного забоя) сохранять свои эксплуатационные показатели в течение заданного срока службы, обеспечивается путем совершенствования технологии и техники добычи и проведения различных мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение работ.

Массив горных пород (породный массив), в котором развиваются и происходят газодинамические явления, вроде внезапных выбросов угля и газа, следует понимать как связанную часть земной коры, сложенную одной или несколькими литологическими разностями, в пределах которой локализуются все механические процессы, обусловленные горными работами, и механические свойства которой не характеризуются механическими свойствами технически доступных образцов породного массива.

Производство горных работ сопровождается нарушением естественного (начального) напряженно-деформированного состояния породных массивов. В результате происходит перераспределение напряжений и деформаций в окрестности поверхностей обнажений (стенки выработки, борта карьера и т.д.). Иными словами, следствием нарушения естественного напряженно-деформированного состояния являются механические процессы, которые приводят к формированию нового равновесного напряженно-деформированного состояния массивов [1].

Максимальная концентрация напряжений имеет место на контуре выработки или смещена в глубь массива, если породы вблизи контура имеют повышенную деформируемость по сравнению с остальным массивом. Концентрация напряжений быстро затухает по мере удаления в глубь массива от контура выработки. Размеры зоны влияния, т.е. зоны породного массива, охваченной концентрацией напряжений, зависят от размеров поперечного сечения выработки.

Для анализа напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг одиночной подготовительной выработки был использован программный комплекс ANSYS. При этом решались следующие задачи: построение моделей объектов исследования, построение конечно-элементной сетки, расчет напряженно-деформированного состояния горного массива, определение и сравнение напряжений , , , перемещения u_x и u_y без крепления арки и с креплением арки, установление функциональных зависимостей напряжений , , , перемещений u_x и u_y от значения модуля Юнга.

В качестве моделей исследования были предложены два массива: горный массив с креплением вокруг одиночной выработки и горный массив без закрепления вокруг одиночной выработки. Модель нагружалась распределенной нагрузкой q = 75 МПа в вертикальной плоскости. Так как горный массив симметричен относительно своей оси, поэтому моделировалась одна часть (левая часть).

Для анализа зависимости напряжения и перемещения от модуля упругости были проведены несколько экспериментов с разными значениями модуля упругости Е₆. Модель объекта исследования представлена на рис. 1.

Рис. 1. Горный массив с одиночной выработкой

Математическое обеспечение эксперимента осуществлялось на основе метода конечных элементов и сводилось к трем этапам: дискретизации, аппроксимации, алгебраизации.

Проектирование многих процессов и объектов связано с необходимостью точного анализа процессов, математическим описанием которых являются дифференциальные уравнения в частных производных. Приведенная ниже вариационная формулировка метода конечных элементов (МКЭ), а также модель процесса распределения напряженно-деформированного состояния основана на теории метода конечных элементов.

В общем случае поведение искомой функции (x, y, z) внутри заданной ограниченной области V с границей S описывается некоторым дифференциальным уравнением 2-го порядка:

гдеK - параметр, характеризующий свойства сплошной среды в объеме V;

Q (x, y, z) - внешнее воздействие;

L - дифференциальный оператор частных производных 2-го порядка;

x, y, z - пространственные координаты.

Уравнение (1) дополняется краевыми условиями и определено на множестве D:

гдеV - область решения;

S - граница области решений.

В вариационном МКЭ вместо рассмотрения уравнения (1) используется эквивалентная вариационная формулировка - решением этого уравнения является функция, минимизирующая некоторый функционал F( ).

Функционал - это определенный интеграл, в котором аргументом является неизвестная функция.

Процедура МКЭ сводится к трем этапам:

Этап 1 - дискретизация области решения D.

Рассматриваемая область решения задач разбивается на подобласти - конечные элементы. То есть область D разбивается на M конечных элементов и содержит N узлов.

Этап 2 - аппроксимация искомой функции.

Искомая функция (x, y, z) аппроксимируется дискретными функциями, каждая из которых определена на конечном элементе. Сумма дискретных функций - это искомая функция.

На каждом КЭ аппроксимируется искомая функция . В общем виде:

гдеe = 1, M - число элементов;

[N ](e) - матрица-строка, элементы которой называются функциями формы КЭ;

ц>(e) - вектор узловых значений искомой функции (они неизвестны).

Выражение (4) позволяет выразить искомую функцию через ее узловые значения ц> ( e ) и использует стандартные функции форм, вид которых зависит от типа элементов.

Модель всей функции определяется:

гдец>(e) - вектор узловых значений искомой функции сетки КЭ (сеточная функция);

М - число КЭ дискретной модели. Оно определяется по формуле:

Этап 3 - алгебраизация.

Подстановка аппроксимирующих функций в определяющие уравнения позволяет получить систему алгебраических уравнений относительно параметров аппроксимации.

где[K] - матрица жесткости системы КЭ;

R> - вектор узловых нагрузок.

В этом этапе можно выделить четыре составляющие:

- первая составляющая - выбор функционала и его дискретизация:

где F ( e ) - элементный вклад в функционал F.

- вторая составляющая - подстановка аппроксимации (4) в элементный вклад функционала F и получение его выражения:

- третья составляющая - минимизация функционала и получение системы алгебраических уравнений. Условие минимума функционала на каждом КЭ:

В результате такой минимизации выражение (10) сводится к системе алгебраических уравнений (7), которое является основным уравнением МКЭ.

- четвертая составляющая - решение системы уравнений (7).

Подстановка найденного значения сеточной функции в выражении (5) позволяет определить значение функции в любой точке области решения. Используя операции дифференцирования, интегрирования функции , можно определить дополнительные параметры искомой задачи [2].

Метод конечных элементов представляет собой приближенный метод решения краевых задач, заданных уравнениями в частных производных. При этом с помощью дискретизирующей конечными элементами аппроксимации рассматриваемые уравнения преобразуются в систему уравнений первого порядка с большим числом неизвестных, которую затем и решают. Очень многие физические явления сводятся к краевым задачам для уравнений в частных производных. Поэтому область применения такого метода очень широкая. Успешное использование в настоящее время метода конечных элементов связано со следующим:

- краевые задачи в уравнениях с частными производными преобразуются в вариационные, что позволяет в пределах принятой аппроксимации отыскивать оптимальное решение;

- распространение больших ЭВМ позволило решать системы линейных уравнений высокого порядка;

- стало возможным использование универсальных программ, тщательно составленных специалистами, что позволило пользователю при выполнении больших расчетов ограничиться лишь подстановкой исходных данных.

Метод конечных элементов используется не только при решении упругих задач. Его можно довольно просто распространить на упругопластические задачи. Открываются возможности его применения для решения нелинейных задач, аналитическое решение которых раньше было почти невозможным [2].

Для реализации экспериментов был составлен программный файл. Полученные в ходе экспериментов значения максимальных напряжений представлены на рис. 2 и 3 эпюр описанных выше напряжений и деформаций (2 из 15).

Рис. 2. Эпюра напряжений _x выработки с креплением

Рис. 3. Эпюра напряжений _x выработки без крепления

Анализ результатов проведенного эксперимента позволил сделать следующий вывод: предлагаемый метод моделирования выработок позволяет приблизить модель к реальным условиям. Результаты данного моделирования (одиночная выработка с арочным креплением) говорят об уменьшении напряжений по бокам и впереди выработки, что благоприятствует снижению вероятности возникновения внезапных выбросов.

В ходе исследований также были выведены графики напряжений и деформации вдоль угольного пласта К7, для массива вокруг выработки с креплением, которые представлены на рис. 4.

Проанализировав полученные результаты, установлено что функциональные зависимости не зависят от модуля упругости Е_6. Исключение лишь составляет зависимость

Зависимость имеет следующий вид:

Её график представлен на рис. 5.

Полученные выше выводы важны тем, что они позволяют на основе моделирования в дальнейшем более глубоко и целенаправленно исследовать происходящие в массиве геомеханические процессы, которые дадут возможность для разработки более эффективных способов прогнозирования вероятности проявления внезапных выбросов угля и газа.

Рис. 4. Эпюры деформации вдоль верхней границы угольного пласта К7

Рис. 5. График функции

Список литературы

1.Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1984.

2.Никишков Г.П., Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике. М.: Наука, 1980.

Подобные документы

Особенности оценки напряженно–деформированного состояния массива в многолетних мерзлых породах в зависимости от теплового режима выработки. Оценка видов действующих деформаций. Расчет распределения полных напряжений в массиве пород вокруг выработки.

контрольная работа [47,6 K], добавлен 14.12.2010

Определение основных параметров упруго-пластичного состояния породного массива вокруг горизонтальной выработки. Испытание образцов горных пород на одноосное сжатие, статистическая обработка результатов. Оценка возможности пучения породы подошвы.

контрольная работа [555,6 K], добавлен 29.11.2012

Состояние массива горных пород в естественных условиях. Оценка горного давления в подготовительных выработках. Схема сдвижения массива при отработке одиночной лавы. Виды разрушения кровли угольных пластов. Расчет параметров крепи очистной выработки.

учебное пособие [11,5 M], добавлен 27.06.2014

Исследование характера и закономерностей проявления горного давления в очистных выработках. Техника проведения измерений методом разгрузки. Классификация методов оценки напряженного состояния массива горных пород. Измерение деформаций области массива.

реферат [2,8 M], добавлен 23.12.2013

Геолого-гидрогеологические характеристики калийных месторождений. Типовые задачи управления сдвижением горных пород при подземной разработке. Расчет параметров, характеризующих изменение напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива.

курсовая работа [642,8 K], добавлен 22.08.2012

Условия залегания полезных ископаемых. Формирование комплексов горных выработок. Технология проведения подземных выработок буро-взрывными и механизированными способами. Очистные работы и процессы подземного транспорта. Подготовка горных пород к выемке.

курсовая работа [3,4 M], добавлен 09.09.2011

Организация работ в очистном забое. Перевозка полезных ископаемых по подземным горным выработкам. Охрана, ремонт и поддержание горных шахтных выработок. Основные составные части и примеси рудничного воздуха. Рудничная пыль, проветривание выработок.

Введение
Для подземной разработки рудных месторождений в последние тридцать пять - сорок лет характерны высокие темпы углубления горных работ, продиктованные быстрым исчерпанием запасов полезных ископаемых, расположенных вблизи земной поверхности, а также увеличением спроса на ряд металлов, особенно имеющих стратегическое значение. Уже сегодня в ряде зарубежных стран с высокоразвитой горнодобывающей промышленностью (Канаде, ЮАР, Индии, США и др.) добычу наиболее ценных руд ведут на глубинах, превышающих 3-4 км.

Так на руднике Tau Tona Mine в ЮАР горные работы ведутся на глубине 4,5 км. Некоторые отечественные горнорудные шахты, например, шахты СУБРа, Норильска, Таштагола и другие, также работают на глубинах 700–1000 м и более.

Наиболее сложной и важной проблемой при разработке глубокозалегающих месторождений является борьба с возрастанием напряжений в горном массиве, вызываемым увеличением давления вышележащей толщи пород. В определенный момент эти напряжения могут превысить прочность пород, которые начнут разрушаться с выделением значительной энергии.

Происходит динамическое проявление горного давления в виде так называемого горного удара, что отрицательно сказывается на разработке полезных ископаемых подземным способом.

Формы динамического проявления горного давления

Наряду со статическими формами проявлений горного давления, в массивах горных пород могут происходить динамические, внезапные разрушения участков массива пород, находящихся в определенных условиях напряженного состояния при больших действующих напряжениях. В естественной обстановке к подобным динамическим явлениям в земной коре относятся землетрясения. При ведении же горных работ таковыми являются шелушения горных пород, стреляния, динамическое заколообразование,толчки,горные удары, горно-тектонические удары, техногенные землетрясения.

Отдельно – внезапные выбросы пород и газа – газодинамические явления.

В первую очередь рассмотрим виды динамических проявлений, которые относятся к чисто динамическому типу, в отличие от газодинамического типа - выбросов газа и пород.

С физической точки зрения все динамические проявления представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в том или ином объёме массива.

Как правило, динамическим проявлениям предшествует усиление давления на крепь и целики, а после их реализации увеличивается напряжённость массива пород на смежных участках. В ряде случаев динамическим проявлениям сопутствует вспучивание почвы и выдавливание пород в выработку.

Необходимо отметить, что в практике горного дела до недавнего времени все динамические явления называли горными ударами, без выделения различных видов. Это обусловлено единой физической сущностью всех указанных явлений, отличия заключаются, главным образом, в величинах выделяющейся энергии и размерах областей массива, затронутых явлениями.

Первые сведения о горных ударах, произошедших на оловянных рудниках Англии, относятся к 1738 г. Во второй половине XIX в горные удары стали отмечаться при разработке угольных месторождений в странах Западной Европы. С этого времени проблеме горных ударов стали уделять все возрастающее внимание.

В СССР первые горные удары были отмечены в 1944 г на шахтах Кизеловского каменноугольного бассейна, отличающегося высокой прочностью и упругостью углей ([(s_сж] = 300 - 600 кгс/см 2 ) и вмещающих пород - кварцевых песчаников ([s_сж] = 1500 - 2500 кгс/см 2 ) - при сильной тектонической нарушенности массива.

Изучение причин, условий и механизма динамических проявлений горного давления и разработка эффективных способов их прогнозирования, мер предупреждения и локализации является важнейшей задачей геомеханики, актуальность которой все время повышается в связи с ростом глубин разработки полезных ископаемых и повышением степени напряжённости массивов пород, в которых производятся горные работы.

Формы динамических проявлений горного давления.

Динамические проявления горного давления могут приобретать разнообразные формы, в зависимости от конкретных условий, на разных стадиях развития горных работ. Они могут происходить как в выработках, пройденных по полезному ископаемому, так и во вмещающих породах. Разрушению подвергаются вмещающие породы, как кровли, так и почвы. Наблюдаются динамические проявления в краевой части массива полезного ископаемого, а также и в целиках. В ряде случаев они возникают в целиках, расположенных в выработанном пространстве, на том или ином удалении от участков ведения горных работ, иногда даже в целиках ранее отработанных горизонтов.

На рис 1 в качестве примера показан участок разработки на шахте им Урицкого (Кизеловский бассейн), где произошел горный удар при отработке надштрековых целиков (1951 г.).

Рисунок 1 - Проявление горных ударов при отработке целиков (Кизеловский угольный бассейн, шахта им Урицкого) 1 - место и дата горного удара; 2 целики, отработанные до момента горного удара; 3 - выработанное пространство.

В момент удара забой по извлекаемому целику на несколько метров отставал от очистного забоя лавы нижележащего горизонта. Удар сопровождался резким звуком, образованием большого количества пыли и сильным сотрясением окружающего массива. В результате удара на протяжении 40 м штрек оказался заваленным углем, выброшенным из надштрековых целиков. Крепь штрека разрушилась. Целик, в котором вели взрывные работы, разрушился почти полностью. Между ним и кровлей образовалось пространство высотой 0,3 - 0 4 м. Два соседних целика разрушились частично. Уголь в раздавленных целиках был сильно трещиноват, легко разбирался рукой, представляя собой скользкие блестящие чечевицеобразные куски.

Горные удары часто случаются в сближенных пластах при ведении горных работ по одному из них.

Горные удары происходят также и в очистных забоях.

Разработку каменноугольного пласта Жирондель мощностью 1,35 м вели сплошной системой при скорости подвигания забоя 2 м/сут. Кровля и почва пласта представлены мощными слоями монолитных песчаников. Рабочее пространство крепили деревянными стойками с перекладинами по простиранию. Управление кровлей осуществлялось частичной закладкой с выкладкой бутовых полос.

Удар произошел на глубине около 800 м в добычную смену и повлек человеческие жертвы. Схема участка горного удара показана на рис 2.

Рисунок 2 - Разрушение при горном ударе в очистном забое (ФРГ, шахта Конкордия). 1 - линия забоя, 2 - линия выброса угля при ударе, 3 - граница развала выброшенного угля.

Протяженность участка удара по фронту забоя составила 25 м. При ударе в рабочее пространство было выброшено большое количество угля. В верхней части пласта по границе с кровлей образовалась щель высотой 0,15 м и глубиной около 3 м. Над пластом Жирондель на расстоянии 260 м разрабатывали другой пласт, но его разработка не оказала защитного действия пласта.

Причиной горного удара в рассматриваемом случае явилось наличие прочных пород кровли и почвы, зависание кровли на большой площади и создание высокого опорного давления не краевую часть разрабатываемого пласта.

Рассмотренные примеры горных ударов относятся к каменноугольным месторождениям. Однако динамические явления проявляются и при разработке рудных месторождений, особенно на больших глубинах.

Явление горного удара. Методы борьбы с проявлениями горного удара

Горный удар – это интенсивное разрушение массива руды или породы, сопровождающееся выбросом в выработанное пространство разрушенной горной массы с образованием ударной воздушной волны и проявлением сейсмического эффекта в результате мгновенного преобразования потенциальной энергии, накопленной в массиве, в кинетическую.

В горных породах, имеющих склонность к аккумулированию упругой энергии, в момент превышения предела прочности происходит мгновенное высвобождение накопленной энергии, сопровождаемое перемещением породных масс или трещинообразованием.

Горные удары характеризуются внезапностью, неопределенностью места проявления и большой динамической силой, приводящей к значительным разрушениям горных выработок, крупным авариям на рудниках и шахтах, выходу из строя оборудования и человеческим жертвам. При ведении горных работ подземным способом на удароопасных месторождениях одной из важнейших проблем является создание безопасных условий труда при одновременном повышении его интенсивности.

В связи с этим в последние годы в России и за рубежом проводятся активные работы, направленные на прогнозирование и предотвращение горных ударов, создание методов контроля и управления горным давлением.

Отечественная статистика показывает, что около 50 рудных месторождений России имеют склонность к горным ударам и опасность их возникновения. К ним относят Абаканское, Казское, Шерегешское, Берикульское и др. месторождения, где горные удары ожидают на глубине 600 м, у других (Гайское, Дарасунское, Садонское, Тырныаузское и др.) на глубине 700–800 м.

Но на ряде таких месторождений, как Вишневогорское, Северо-Уральское бокситовое, Естюнинское, Вылиговское и др., горные удары наблюдали на глубинах, не превышающих 300 м, что указывает на то, что удароопасность месторождения зависит не только от глубины разработки, но и от других факторов.

Основные причины возникновения горных ударов классифицируют на естественные или природные и технологические.

К ЕСТЕСТВЕННЫМ ПРИЧИНАМ ОТНОСЯТ:

- высокое естественное поле напряжений, обусловленное тектоническими силами;

- наличие концентрации напряжений вблизи разрывных нарушений;

- наличие высокомодульных горных пород, способных накапливать потенциальную энергию сжатия и склонных к хрупкому разрушению.

К ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЧИНАМ, ТО ЕСТЬ ВОЗНИКАЮЩИМ В РЕЗУЛЬТАТЕ ГОРНЫХ РАБОТ, ОТНОСЯТ:

- образование зон влияния горных работ, в которых обычно меняются величина и ориентировка главных напряжений относительно значений вне зоны влияния горных работ на прилегающий горный массив;

- образование открытых очистных пространств (очистные камеры, выработки различного назначения), которые являются дополнительными концентраторами напряжений;

- задержка во времени процесса сдвижения горных пород до поверхности под влиянием очистных работ.

Исходя из этого, перед проектированием подземной разработки рудных месторождений независимо от глубины ведения горных работ обязательно необходимо – в качестве исходных данных – иметь результаты проведения работ по выявлению склонности пород и руд к горным ударам.

В результате исследований, посвященных динамическим проявлениям горного давления, было установлено, что большая часть горных ударов приурочена к тектоническим нарушениям. Это совершенно логично, так как тектонические нарушения представляют собой как раз то слабое место, куда могут релаксироваться напряжения, возникающие в массиве. Если тектонические нарушения заполнены податливым материалом с низкими прочностными свойствами, то релаксация будет происходить постепенно, насколько позволят деформационные свойства заполнителя, а если заполнитель имеет высокие прочностные свойства, но ниже чем окружающий массив, то напряжения релаксируется в виде динамического проявления в сторону нарушения.

Все это необходимо учитывать перед проектированием подземных горных работ.

Горная выработка по сути дела работает так же, как тектоническое нарушение, и очень важно, какой у этого нарушения заполнитель. То есть будет ли устойчив контур выработки.

Надо заметить, что у любого контура массива, находящегося в напряженном состоянии, распределение напряжений происходит следующим образом: непосредственно у контура наблюдается так называемая зона разгрузки, где напряжения за счет разгрузки в сторону контура имеют значения ниже, чем значения напряжений в нетронутом массиве. Далее наблюдается зона опорного давления, где за счет перераспределения напряжений от выработки и зоны разгрузки значения напряжений выше, чем значения напряжений в нетронутом массиве. Далее следует зона со значениями напряжений, равными их значениям в нетронутом массиве. Поэтому, чем меньше зона разгрузки, тем ближе к контуру выработки будет зона опорного давления. То есть на контур выработки будут выходить самые максимальные напряжения. Вот этого при проектировании необходимо избегать.

Увеличивать зону разгрузки можно только за счет создания условий для развития деформаций на контуре выработки, то есть как бы за счет увеличения податливости заполнителя в тектоническом нарушении, если рассматривать нарушение как аналогию выработке.

Здесь проектировщику нужно пройти между Сциллой и Харибдой. С одной стороны, он должен сохранить необходимое для работ сечение выработки, с другой – сделать контур выработки податливым с точки зрения способности его к деформации.

Интересен опыт поиска таких решений методом проб и ошибок на Таштагольском руднике. После нескольких разрушений выработок было принято направление на применение монолитной бетонной крепи, и это решение не помогло: крепь разрушалась с еще большей динамикой. Применение железобетонной крепи также оказалось непродуктивным, крепь продолжала разрушаться.

Тогда попробовали использовать комбинированную крепь: во временную крепь из податливых трехзвенных арок из спецпрофиля (СВП 27) вписали монолитную бетонную крепь. Но и эта конструкция рушалась, а ее восстановление усложнялось тем, что приходилось убирать груз вперемешку с бетоном и металлическими арками. Тогда была выбрана конструкция крепи из монолитного бетона с податливыми элементами из деревянных брусьев, установленных в замке и в пяте свода выработки. Но податливые элементы из деревянного бруса толщиной 100 мм превращались в процессе эксплуатации практически в щепки, и крепь в конечном итоге разрушалась.

Испробовав все вышеперечисленные варианты, специалисты пришли к выводу, что сдерживать горное давление бесполезно, и крепь в этих условиях должна быть не несущей, а поддерживающей – для сохранения необходимого сечения выработки. Была разработана принципиально новая конструкция с каркасом из монолитного бетона. Закрепное пространство на величину возможных деформаций контура выработки заполнялось податливым материалом – пено-бетонным заполнителем, пено-бетонными блоками, деревянной клеткой и др. Последующая эксплуатация показала, что такая конструкция крепи может работать.

Для того, чтобы правильно определиться с параметрами и конструкцией крепи выработок, проектировщику необходимо знать объективную характеристику напряженно-деформированного состояния массива вне зоны влияния и в зоне влияния очистных работ на проектируемом участке, а именно:

- коэффициент концентрации напряжений,

- направление вектора действия главных напряжений,

- упругие и полные относительные деформации горных пород на контуре выработок.

При проектировании в расчетах параметров крепей по методике, изложенной в СП 91.13330.2012, зачастую не обращают внимания на коэффициент, учитывающий отличие фактического напряженного состояния массива горных пород от среднего расчетного. Он принимается равным единице, а ведь это практически коэффициент концентрации напряжений в массиве, и именно он определяет значения смещений на контуре поперечного сечения выработки за весь срок ее эксплуатации без крепи, а также на коэффициент воздействия других выработок, который определяет воздействие напряжений, концентрирующихся на сопряжениях выработок, что также отражено в нормативных требованиях (приложение Е СП 91.13330.2012). Это приводит к ошибочному выбору параметров крепи и может в конечном итоге стать причиной возникновения аварийной ситуации. Поэтому к данному расчету следует подходить очень ответственно.

Нельзя располагать выработки бортом поперек действия главных напряжений.

В последнее время было разработано множество приборов и методик, позволяющих в той или иной степени судить о характере изменения во времени напряженного состояния массива, для определения на практике действующих в нем нагрузок.

В качестве регионального метода прогноза наиболее распространен сейсмологический метод на основе сейсмостанции. Базовым локальным методом является метод дискования керна, основанный на делении керна на диски при его выбуривании в напряженных породах. Кроме этого, сегодня практикуется применение целого ряда других, более простых локальных методов прогноза: электрометрический, дипольного электромагнитного профилирования, сейсмоакустический, МГД (многоточечный гидравлический датчик), глубинных реперов, частичной и полной разгрузки (метод Хаста), тензометрический, ИЭМИ (импульсное электромагнитное излучение) и др.

В настоящее время автоматизированные станции для определения и контроля напряжений в массиве базируются на замере деформаций пород в контрольных скважинах или фиксируют сейсмоакустические волны, возникающие при трещинообразовании. С помощью таких станций определяют изменение напряжения в породах во времени.

Таким образом, в настоящее время в руках проектировщика имеется целый комплекс инструментов, позволяющих спроектировать вполне безопасную и эффективную технологию разработки месторождений, склонных и опасных по горным ударам. Необходимо только научиться правильно пользоваться этими инструментами и понимать, что задача предотвращения горных ударов не может быть сведена к использованию одного уникального способа, но должна решаться за счет использования комплекса мер, принимаемых на стадиях проектирования, подготовки и отработки месторождений.

Исходя из вышесказанного, нужно осознавать: экономия при проектировании на работах по прогнозу и предупреждению горных ударов является грубейшей ошибкой. Как показывает практика, она приводит не только к значительным эксплуатационным затратам и снижению интенсивности производства, но и к человеческим жертвам, а этому нет и не может быть оправдания.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А., Шашенко А.Н. Геомеханика учебник для вузов: в 2х т. Т.2: Геомеханические процессы. - М.: Изд-во МГГУ, 2008.

Изучение и анализ любого явления в природе, независимо от его сложности и многофакторности, могут быть осуществлены на модели этого явления, которая в процессе познания может уточняться и совершенствоваться, оставаясь, однако, лишь моделью, в той или иной степени адекватной рассматриваемому явлению.

Совершенствование моделей отнюдь не обязательно означает их усложнение. Напротив, для изучения влияния тех или иных факторов часто оказывается методически целесообразным их упрощение, например, расчленение сложной модели на ряд более простых специализированных моделей. Построение таких специализированных моделей сложного природного явления представляет исключительную возможность дляего всестороннего анализа и широко используется в науке и практике.

Как показывает опыт, при решении конкретных вопросов геомеханики недостаточно иметь разработанную классификацию массивов и пород, недостаточно иметь результаты исследования свойств и состояния пород в виде паспортов, также недостаточно знать закономерности распределения напряжений в элементах системы разработки, необходимо ещё иметь чёткие представления о взаимном пространственном расположениитех или иных разновидностей пород с соответствующими деформационно-прочностными характеристиками для рассматриваемой конкретной ситуации, а также данные о структурных характеристиках массивов пород и, в частности, о тех, которые в данном конкретном случае оказывают главное влияние. Кроме того, необходимо иметь пространственную картину расположения выработок в интересующей области, также с выделением основных выработок, которые должны быть непременно рассмотрены, и второстепенных, которыми можно пренебречь и не учитывать в расчётах.

Другими словами, для решения вопросов геомеханики необходимо составлять различные модели ситуации. Такой методологический подход постепенно завоевывает всеобщее признание.

Степень адекватности разрабатываемых моделей реальному явлению в принципе должна соответствовать как уровню развития методов и средств решения поставленных задач, так и требованиям точности и надежности выдаваемых результатов.

Применительно к вопросам геомеханики первым этапом в свете упомянутого подхода является построение инженерно-геологической модели массива пород, в котором проводятся горные работы.

Первичной основой для построения инженерно-геологической модели массива пород служит обычная геологическая документация - геологические планы (карты) и разрезы, которые, по сути, являются специализированными моделями реального массива пород. Однако основное отличие инженерно - геологической модели от этих материалов заключается в одновременном комплексном анализе геологических условий, физико-механических свойств пород и начального напряжённого состояния массива. На этой основе выполняется целенаправленная схематизация и, наряду с этим, районирование исследуемого массива пород.

Схематизация заключается в упрощении, как правило, сложного строения и состава массива, уменьшения разнообразия пород путём объединения их в комплексы с близкими показателями физико-механических свойств, а также одинаковыми особенностями поведения пород при различных воздействиях на них. Это, в свою очередь, требует последовательной разработки и последующего анализа ряда вспомогательных, частных моделей изучаемого массива - моделей (схем), характеризующих литологическое строение, структурные особенности, начальное напряженное состояние, экзогенное изменение пород изучаемого массива и др. Во многих случаях уже сама инженерно-геологическая модель позволяет прогнозировать возможность возникновения различных процессов или явлений - обвалов, оползней, разгрузки, выветривания и т. п. Все эти частные модели должны быть жестко увязаны между собой и обеспечивать, в конечном итоге, решение основной задачи — количественного анализа явлений и процессов, происходящих в изучаемом массиве горных пород в результате горных работ или подземного строительства.

В свою очередь, созданию инженерно-геологической модели должна предшествовать разработка инженерно-геологической классификации пород, на основе чего выполняется районирование массива. В результате производится выделение отдельных блоков массива, в пределах которых инженерно-геологические условия, и в частности, напряженное состояние и свойства пород, могут быть приняты достаточно однородными.

В качестве примера на рис. 5.1 приведена инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского месторождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

Рис.5.1. Инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского место-рождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

1-5 - инженерно-геологические литотипы (1 - первый; 2 - второй; 3 - третий; 4 - четвёртый; 5 - нерасчленённые третий и четвёртый); 6 - границы зоны дезинтеграции; 7 - границы районов (блоков) и их номера; 8 - тектонические зоны первого порядка и их номера.

Ковдорское месторождение комплексных руд сложено изверженными породами, принадлежащими к формации ультраосновных щелочных пород каледонского тектоно-магматического цикла. Месторождение имеет отчётливо кольцевое центробежно-зональное строение. Его ядро сложено древними оливинитами, которые окружены прерывистой оболочкой пироксенитов. Более молодые породы уртит-ийолит-мельтейгитовой серии образуют вокруг ядра почти сплошное невыдержанное по мощности кольцо.

Рудная зона месторождения представляет собой дуговидную прерывистую зону, обращённую выпуклостью на юго-восток, с кулисным размещением основных рудных тел. В направлении с севера на юг эта зона меняет свою ориентировку с субмеридиональной на юго-западную. На участке её изгиба локализуется основная масса руд, образуя субвертикальную трубообразную главную рудную залежь с несколькими апофизами.

Массив горных пород Ковдорского месторождения является неслоистым с преимущественно радиально-кольцевым развитием трещин, характеризуется 5 - ю уровнями структурной иерархии и вертикальной гипергенной зональностью. Каждый из структурных уровней представлен определённым масштабом проявления (порядком) разрывных нарушений и размерами ограниченных этими нарушениями блоков пород, последовательно уменьшающимися с повышением структурного уровня и соответственно порядка нарушений от первого до пятого.

Первый структурный уровень определяется наиболее крупными, сложного строения зонами трещиноватости, а местами и смятия пород, мощностью в десятки и сотни метров, которые протягиваются обычно через всё месторождение. Всего закартировано семь разрывных нарушений 1-го порядка - северо-западного, северо-восточного, субмеридионального и субширотного простирания, мощностью от 20-60 до 250 м.

Второй и третий структурные уровни представлены:

n одиночными крупными трещинами с притёртыми стенками, сопровождающимися обычно зоной трещиноватых или дроблёных пород;

n несколькими крупными или множеством мелких сближенных субпараллельных трещин;

n зонами интенсивно трещиноватых (до блоков размером 3-5 см) с глинкой трения пород, имеющих нечёткие контакты или ограниченных субпараллельными притёртыми плоскостями.

Мощность нарушений второго порядка составляет 0.5 - 6.0 м при протяжённости 250-500 м. Мощность нарушений третьего порядка - 0.05 - 0.5 м, протяжённость - до 100 м, а расстояние между ними составляет 5-30 м.

Четвёртый уровень (порядок) представлен хорошо выраженными трещинами мощностью до 1-2 см и протяжённостью не менее 30 м. Их заполнителем обычно является механически нарушенный карбонатно-слюдистый материал. Расстояние между трещинами колеблется от 4 до 15 м, составляя в среднем 7 м.

Пятый структурный уровень выражен мелкими трещинами самых различных направлений мощностью до 0.5 см и протяжённостью 3-20 м.

Петрографические разновидности пород и руд месторождения сгруппированы в пять инженерно-геологических литотипов, отличающихся друг от друга прочностными свойствами, размерами элементарного структурного блока и особенностями геометрии решётки трещиноватости. Первые четыре литотипа - первичные слабо затронутые выветриванием породы и руды (в порядке снижения прочности):

первый - метаморфиты (гнейсы, фениты);

второй - щелочные породы;

третий - гипербазиты (оливиниты, апооливинты и пироксениты);

четвёртый - руды и карбонатиты.

Первые три литотипа относятся к очень прочным ([s_сж]³ 120 МПа), а четвёртый - к прочным грунтам ([s_сж]=50-120 МПа). Первый литотип имеет преимущественное распространение в юго-восточной, второй - в западной, а третий - в северной и северо-восточной частях породного обрамления Главной рудной залежи. Пятый литотип представлен продуктами зоны выветривания и интенсивной дезинтеграции всех предыдущих литотипов - скальными грунтами средней ([s_сж]=15-50 МПа) и малой ([s_сж]=5-15 МПа) прочности, полускальными и рыхлыми грунтами.

В результате выполненного районирования действующего карьера выделено 20 инженерно-геологических блоков, каждый из которых количественно охарактеризован параметрами ориентировки системы трещин и блочности различных порядков, глубиной зоны дезинтеграции пород и уровнем подземных вод.

Вторым этапом данного методологического подхода является разработка на базе инженерно-геологической модели рассматриваемого массива геомеханической модели конкретной горно-технологической ситуации, подземного сооружения или горной выработки, для которых необходимо выполнить оценку устойчивости пород в обнажениях, определить параметры устойчивых элементов, рациональный порядок разработки, вид крепи или решить какие-либо другие задачи геомеханики. При этом, как мы уже не раз подчёркивали, особенностью массивов скальных пород является первоочередная необходимость выделения тех типов и видов структурных неоднородностей, которые в данном случае будут решающим образом влиять на состояние рассчитываемых сооружений и выработок.

Переход от инженерно-геологической модели к геомеханической, как правило, сопровождается дальнейшим обобщением исходных материалов и также может осуществляться с помощью вспомогательных моделей (схем), отражающих особенности напряжённо-деформированного состояния или поведения под нагрузкой отдельных участков или областей пород массива в пределах конкретных элементов систем разработки - выработок, целиков и т.д.

В целом же если инженерно-геологическая модель является в определённом смысле общей моделью массива, то геомеханическая модель должна быть предельно конкретной, ее содержанием будет являться весь комплекс исходных данных о напряженном состоянии, свойствах и структурных особенностях массива пород, дополненных данными о параметрах горных выработок и других элементов систем разработки, необходимых для решения поставленных задач применительно к данному объекту.

На рис. 5.2 показана геомеханическая модель карьера, разрабатывающего Ковдорское месторождение, построенная на основании инженерно-геологической модели (см. рис. 5.1). Эта модель создана путём идеализации (генерализации) инженерно-геологической модели в отношении свойств и геометрии породного массива, а также зоны существенного влияния карьера.

Вид и содержание геомеханической модели в определенной степени определяются теми исходными предпосылками, которые положены в основу метода решения поставленной задачи. В случае физического моделирования - физической

1 - структурные элементы модели и их номера; 2 - изолинии поверхности карьера на конец отработки (первая очередь) и их значения в абсолютных отметках, м.

моделью рассматриваемого объекта, в случае математического моделирования - расчетной схемой и математическим аппаратом, т. е. математической моделью.

Создание физических или математических моделей представляют собой третий этап решения геомеханических задач. Для рассмотренного примера вид приведенной на рис. 6.2 геомеханической модели согласован с дальнейшим решением геомеханических задач, в частности, с исследованием вопросов устойчивости уступов и бортов карьера методом конечных элементов. В конечном итоге для каждого выделенного блока были определены устойчивые параметры уступов и бортов карьера в целом, в частности, высота уступов, угол наклона поверхности уступа и угол наклона борта карьера.

Перечисленные инженерно-геологическая и геомеханическая модели являются специализированными, так как в процессе построения каждой из них отображаются лишь соответствующие особенности реального массива. Вместе с тем последовательная разработка этих моделей должна выявить механизм того процесса, для изучения которого они разрабатываются, определить пути и методы решения инженерных задач В этом смысле построение инженерно геологической и геомеханической моделей, выбор и анализ расчетной схемы или создание физической модели реального массива являются единым процессом, составляющие которого тесно связаны между собой и взаимно влияют друг на друга.

Инженерно-геологические и геомеханические модели всегда являются масштабными, т. е. геометрические размеры элементов моделей должны соответствовать в некотором масштабе размерам реальных геологических и горнотехнических объектов. Кроме того, в принципе эти модели должны быть объемными, так как только в этом случае возможен наиболее полный и близкий к действительности их анализ. В силу того, что на современном уровне развития вычислительной техники и эксперимента реализация объемных моделей достаточно затруднительна, довольно часто ограничиваются упрощенными представлениями массивов в виде плоских моделей.

Читайте также:


Коэффициент корреляции кендалла реферат

Проблемы государственного и муниципального управления реферат

Реферат по биологии 7 класс на тему перепончатокрылые

Государственная система стандартизации рк реферат

Сказки пушкина их проблематика и идейное содержание реферат