Имашев А.Ж., Судариков А.Е., Бахтыбаев Н.Б., Тилеухан Н., Хуанган Н.

Карагандинский государственный технический университет

ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ВОКРУГ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Реальный массив горных пород представляет собой неоднородную среду, которая формируется под влиянием различных геологических факторов. В большинстве случаев массив горных пород является физически дискретной, неоднородной и анизотропной средой. Нетронутый массив находится в естественном напряженно-деформированном состоянии. Механические свойства горных пород различаются между собой в широких пределах.

Как правило, все свойства реального массива горных пород учесть не возможно. Тогда одним из наиболее эффективных методов изучения механических процессов происходящих в породных массивах является метод математического моделирования.

При моделировании процессов в массивах горных пород, с применением численных методов моделирования, процессы происходящие в массиве сводятся к решению дифференциальных уравнений механики сплошной среды, а их численная реализация – к решению систем уравнений.

При изучении геомеханических процессов, протекающих в окрестности проведенной выработки, используется модель, в которой учитывается не только упругие свойства горных пород, но и запредельное условие деформирование горных пород.

В реальном массиве горных пород всегда присутствуют системы трещин, которые ориентированные по различным направлениям. Совокупность трещин и контактов слоев пород в массиве образуют пространственную ослабляющую решетку, это в значительной мере определяет свойства горных пород и поведение массива вокруг горных выработок.

Математическое моделирование, в данном случае, было проведено методом конечных элементов. Решена задача по определения зоны трещиноватости вблизи горной выработки. Исходным вариантом моделирования принята одиночная горная выработка арочной формы сечения, которая расположенна в неоднородном массиве пород представленным двумя слоями. Прочность на растяжения заданных слоев: 1 слой – 7 МПа, 2 слой – 5 МПа (см.рис. 1 и 2).

Применяемые в расчетах параметры прочности пород определяются, прежде всего, используемыми критериями разрушения. В критерии определяющими параметрами являются прочность на одноосное сжатие и одноосное растяжение в условиях естественного залегания пород до начало техногенного воздействия с учетом исходной трещиноватости горного массива. Критерий прочности для трещиноватого массива дополняются парамертрами относительной прочности пород по отдельным направлениям с системами дефектов, характеризующими ослабленность по соответствующим направлениям. Для описания прочности массива пород используется критерий Кулона-Мора, в котором определяющими параметрами являются сцепление и углы трения по плоскостям дефектов [3].

При постоянной наргузке, меньшей предела прочности, материал может разрушатся через некоторое время. Зависимость действующего напряжения от времени, при котором произойдет разрушение, часто называется длительной прочностью [1]. Снижение прочности пород происходит по тем направлениям, по которым степень напруженности превышает величину длительной прочности. Также известно, что разрушение при длительной прочности горных пород происходит при постепенном накоплении повреждений или дефектов [4]. Такой процесс потери прочности происходит с течением времени.

В процессе моделирования распространение трещин происходило с учетом временного фактора, за счет этого можно наблюдать процесс распространения трещин с момента обнажения горных пород не только в пространстве, но во времени.

На рис. 1 и 2 показны зоны распространения трещин возникающие вокруг горной выработки после 4 месяца и 6 месяца с момента обнажения горных пород. Как показал расчет, на распространение трещин оказывает наибольшее влияние глубина заложения выработки и прочностные свойства горных пород.

Рисунок 1 – Образование техногенной трещиноватости вблизи горной выработки через 0,3 года после ее проведения

Из рис. 1 и 2 также видно, что рост трещин уменьшается при отдалении вглубь массива от выработки, и тем самым, увеличивает упругие свойства горного массива при удалении от контура. Известно, что область массива горных пород примыкающей к выработке считается зоной неупругих деформаций. В зоне неупругих деформаций заключаются породы находящие в разрушенном состоянии, где не выполняется условие прочности [2].

Таким образом, образованная, за счет трещиноватости приконтурного массива, зона неупругих деформации будет оказывать влияние на устойчивость пород вокруг контура выработки. Заключенные породы в зоне неупругих деформации под воздействием силы гравитации стремятся к отслаиванию и смещению отдельных слоев пород в выработанное пространство.

Представленная программа математического моделирование геомеханических процессов вокруг выработки позволяет определить зону трещиноватости вокруг выработки с учетом фактора времени.

Рисунок 2– Образование техногенной трещиноватости вблизи горной выработки через 0,5 года после ее проведения

Полученные данные в результате математического моделирование позволяют разрабатывать рациональные паспорта крепления выработки и ее параметры на любой срок службы выработки после ее проведения. При использовании анкерной крепи, данная программа дает возможность определять оптимальную длину анкера для поддержания выработки.

Список литератур:

1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1975.

2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. – М.: Недра, 1982.

3. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород. ФГУП «Множительный научный центр» ВНИМИ; ООО «Стресс» СПб, 2003.

4. Цай Б.Н. Термоактивационная природа прочности горных пород. Караганда: КарГТУ, 2007.