А. С. Позолотин, генеральный директор, канд. техн. наук, pozalex@mail.ru
А. М. Гребенщиков, зам. технического директора по проектным работам
Е. Р. Ильясов, начальник отдела геомеханики и геотехнологии
© Позолотин А. С., Гребенщиков А. М., Ильясов Е. Р., 2025
Обоснована актуальность геомеханических исследований при добыче полезных ископаемых. Представлены современные средства и методики контроля состояния горного массива, передовые инновационные геотехнологии. Описаны возможности оптимизации параметров крепи и применения результатов численного 3D-моделирования при разработке схемы анкерного крепления горных выработок. При расчете длины анкера заимствован опыт применения канатных анкеров в сложных горно-геологических условиях. При выявлении смещений рекомендовано дополнительное упрочнение горных пород кровли канатными анкерами и скрепляющими смолами. Установлено, что применение анкеров канатного типа улучшает основные свойства крепи, обеспечивает безопасность поддержания широких сопряжений.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, система разработки, 3D-моделирование, горные работы, анкерная крепь
Введение
При добыче твердых полезных ископаемых все большую актуальность приобретает решение задач, связанных с геомеханической оценкой параметров технологии разработки. В их числе – оценка горнотехнических факторов при эксплуатации и проектировании месторождений с учетом горно-геологических, горнотехнических и техногенных особенностей залегания пород.
Учитывая важность обеспечения безопасности при проведении горных работ, необходимо своевременно оптимизировать и корректировать параметры применяемых технологий. Требуются разработка и апробация современных средств и методик контроля состояния горного массива, внедрение передовых инновационных геотехнологий [1–6].
Для обеспечения надлежащего уровня безопасности при обосновании параметров крепления и управления кровлей необходимо учитывать такие факторы, как: физико-механические и технологические свойства пород; характеристика отрабатываемых массивов горных пород; виды применяемого технологического оборудования и его производительность; особенности технологической среды [7, 8]. К технологическим параметрам, требующим анализа, относятся: порядок отработки месторождения; направление развития фронта и режим горных работ; влияние сопряжений и близрасположенных выработок; положение зоны очистных работ; способ управления состоянием подрабатываемого и техногенно нарушенного массива [9–12]. В связи с этим особую актуальность приобретает геомеханическая оценка породного массива месторождения с обоснованием степени влияния горных работ на характер изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) и, как следствие, на устойчивость самого массива.
Актуальность исследований
Основной целью при выполнении работ по 3D-моделированию является обоснование степени влияния горных работ и физико-механических свойств угля и горных пород на характер изменения НДС и минимизация негативного воздействия путем подбора оптимальных видов крепи.
Основные задачи, решаемые в ходе выполнения работ по 3D-моделированию:
определение напряжений, действующих в массиве, и смещений, формирующихся при проведении горных выработок;
установление характера распределения НДС массива горных пород вокруг горнотехнической конструкции;
оценка влияния зон повышенного горного давления (ПГД) на очистные и подготовительные выработки;
оптимизация параметров крепи горных выработок для поддержания их в безаварийном состоянии.
Для решения поставленных задач проводят исследования в области изучения теоретических и практических основ управления массивом для поддержания горных выработок. При этом учитывают результаты проведенных экспериментов, а также осуществляют научное прогнозирование способов решения проблемы [13–17].
Методы исследований
Специалистами проведены следующие этапы работ по оптимизации параметров крепи с учетом результатов ранее выполненных исследований по оценке НДС массива:
аналитические методы оценки горно-геологических и горнотехнических условий ведения работ;
сбор фактических данных о параметрах исходного природного напряженного состояния массива пород месторождения;
численное 3D-моделирование НДС массива горных пород при ведении горных работ.
Результаты исследований
Комплекс работ выполнен специалистами ООО НИЦ-ИГД на одном из горнодобывающих предприятий Российской Федерации.
На первом этапе осуществляли анализ горно-геологической и горнотехнической документации: особенности тектонического строения месторождения; результаты исследований физико-механических свойств угля и вмещающих пород; особенности системы отработки месторождения и другие факторы, которые могут оказать влияние на устойчивость горных выработок.
На втором этапе осуществляли визуальную и инструментальную оценку состояния породного массива с определением фактического состояния подготовительных и очистных горных выработок в линейных частях и на сопряжениях:
- определение основных параметров горных выработок: тип применяемого анкера, число анкеров в ряду, расстояние между рядами анкеров, тип затяжки и опорный элемент с применением приборов, входящих в комплект для визуального и измерительного контроля горных пород «Эксперт»;
- отбор образцов кернов для уточнения физико-механических свойств пород кровли горных выработок пласта;
- оптическая съемка шпуров, определение залегания естественных трещин с оценкой состояния массива горных пород; проведено геомеханическое обследование керновых скважин и шпуров с использованием взрывозащищенного видеоэндоскопа Armaphon S3.6+ в подземных горных выработках. На основе полученных результатов разработаны разрез-схемы выявленных деформаций пород кровли и боков;
- геофизические исследования сейсмоакустическим методом в подготовительных и очистных горных выработок с целью выявления ослабленных межслоевых контактов и степени напряженности массива горных пород; на основании данных исследований составлена карта трещиноватости пород кровли пласта;
- оценка прочности угля при помощи прочностномера П1; среднее значение коэффициента крепости составило 0,85 ед. по шкале проф. М. М. Протодьяконова;
- измерение геотектонических напряжений, действующих в массиве горных пород, с целью определения параметров главного вектора напряжений; по результатам полученных измерений азимут вектора главных напряжений для выемочного участка составил 62°.
В мировой практике при проектировании крепи проводимых горных выработок используют рейтинговые классификации массива горных пород, в которых устойчивость массива оценивают в баллах. Для уточнения физико-механических свойств пород кровли подземных горных выработок пласта, необходимых для выполнения численного 3D-моделирования НДС, отобранные образцы пород (керн) испытывали в специализированной лаборатории.
По результатам визуальных, инструментальных и лабораторных исследований определяли рейтинг RMR(Rock Mass Rating) (табл. 1) и индекса качества горного массива Q (табл. 2) для уточнения параметров крепи.
На третьем этапе исследований выполняли численное 3D-моделирование НДС массива горных пород для исследуемых в натурных условиях глубин 300 м и более. Для расчетов и анализа использовали программный комплекс для геотехнических расчетов Midas GTS NX. С его помощью осуществляют построение сложных трехмерных моделей (рис. 1), анализ и визуализация горного давления и упругих деформаций на контуре выработок и в целиках при различных критериях нарушенности массива горных пород.
Модель включает в себя массив горных пород с физико-механическими характеристиками, эквивалентными участку шахты. Структура массива содержит угольный пласт, вмещающие породы, отработанное пространство и выработки, оконтуривающие выемочные участки. Структура массива горных пород представлена на рис. 2.
Оценку НДС проводили в зоне ведения очистных работ на основе критерия прочности Кулона – Мора в условиях действия гравитационных и тектонических напряжений. По теории Кулона – Мора разрушение реализуется в тот момент, когда величина сдвигового (касательного) напряжения достигает предела прочности грунта на сдвиг. Модель исследования представлена на рис. 3.
Во вмещающем горнотехническую систему массиве формируется вторичное поле напряжений, структура которого зависит от размеров конструктивных элементов системы разработки, физико-механических свойств горных пород, исходного поля напряжений, качества массива и иных факторов. При анализе рассматривали внешнюю границу горнотехнической системы, включающей конструктивные элементы, состоящие из выработок, целиков различного назначения и выработанного пространства.
При численном анализе НДС конструктивных элементов системы в процессе развития и ведения очистных работ при пошаговом анализе учитывают величину деформации пород в выработках и избыточные напряжения, превышающие предел прочности горных пород.
Параметры для расчета следующие: длина лавы 400 м; глубина разработки – от 200 до 400 м; угол падения пласта 3–7°; средняя мощность пласта 3,5 м; мощность непосредственной почвы 2 м; мощность основной почвы 15 м; мощность ложной кровли 3 м; мощность непосредственной кровли 2,5 м; мощность основной кровли 25 м; исходные максимальные вертикальные напряжения σ1 (на глубине 300 м) 11,05 МПа; исходные максимальные горизонтальные напряжения σ2 (на глубине 300 м) 10,68 МПа.
Оценку НДС массива проводили как в линейной части выработок, так и на сопряжениях. Для детального численного анализа НДС массива были рассмотрены различные сценарии: проходка подземных горных выработок; отработка выемочного участка № 1; отработка выемочного участка № 2 на глубине 300 м. Величина максимальных главных напряжений σmaxв линейных частях колебалась в диапазоне 6,21–11,05 МПа, в зоне опорного давления – в интервале 4,81–9,32 МПа.
По результатам 3D-моделирования были определены зоны критических значений напряжений и смещений, исходя из протекающих геомеханических процессов на исследуемом участке, что позволило заранее установить местоположение и объемы вероятных разрушений массива горных пород, а также понять, какие геомеханические процессы влияют на НДС массива подземных горных выработок.
На завершающем четвертом этапе обобщены результаты исследований, включая визуальную и инструментальную оценку фактического состояния горных выработок, лабораторные исследования по определению физико-механических свойств горных пород и данные численного 3D-моделирования. На основе этих данныхразработана схема крепления линейной части подготовительных и капитальных горных выработок шириной 5,0 и 5,2 м, проводимых на глубине более 300 м в зоне влияния опорного давления лавы (рис. 4).
Кровлю выработок шириной 5,0–5,2 м в зоне сопряжения рекомендуется закреплять сталеполимерными анкерами первого уровня А20В длиной L не менее 2,5 м числом не менее 5 ед. в ряду, которые применяют в сочетании с подхватом ПМШ8 или с шайбами размером не менее 250×250×6 мм. Шаг крепления 1 м. В качестве затяжки кровли рекомендуется использовать металлическую решетчатую затяжку.
Кровлю монтажных камер шириной 7,8 м рекомендуется закреплять сталеполимерными анкерами первого уровня А20В длиной не менее 2,5 м числом не менее 8 ед. в ряду, которые применяют в сочетании с подхватом ПМШ8 или с шайбами размером не менее 250×250×6 мм. Шаг крепления 1 м. В качестве затяжки кровли рекомендуется использовать металлическую решетчатую затяжку.
Крепление боков горных выработок в зоне сопряжения рекомендуется осуществлять сталеполимерными анкерами А20В длиной L не менее 1,6 м ? на рисунке 4 показано, что анкер А20В L не менее 1,5 м и 2,5 м[ИЕР1] числом не менее 3 ед. в вертикальном ряду. Шаг крепления боков 1 м. Перетяжку боков выполняют металлической решетчатой затяжкой.
Кровлю выработок в зоне сопряжения рекомендуется усиливать анкерами глубокого заложения (верхнего уровня) АК01 длиной L 6 м правильно? на рисунке 4 показано, что L не менее 5 м[ИЕР2] числом не менее 4 ед. в ряду под опорные полусферические шайбы размером 250×250×8 (300×300×8) мм с шагом установки 1 м.
При расчете длины анкера был использован опыт применения канатных анкеров в сложных горно-геологических условиях [18]. При выявлении смещений рекомендуется дополнительное упрочнение горных пород кровли канатными анкерами и скрепляющими смолами. Установлено, что применение анкеров канатного типа улучшает основные свойства крепи, обеспечивает безопасность поддержания широких сопряжений [19].
Выводы
1. В процессе исследований установлено, что значения максимальных сжимающих, растягивающих и максимальных сдвиговых усилий не способствуют образованию обширных участков с потерей устойчивости горных пород, что объясняется высокими прочностными свойствами горных пород, малым сечением горных выработок и низким уровнем нарушенности горных пород. Последние характеризуются в плане прочности массива пород на сжатие и сдвиг как непредельные условия, что свойственно слаботрещиноватым и ненарушенным породам (коэффициент структурного ослабления Кс > 0,8).
2. Установлено, что при соответствии нарушенности породного массива коэффициенту Кс > 0,8 приконтурный массив не подвержен интенсивному разрушению, а расчеты, выполненные с коэффициентом запаса 1,3, обеспечивают надежность и безопасность полученных результатов.
3. Определено, что при значительном изменении условий (увеличение сечения выработок, создание объемных ниш, формирование протяженных сопряжений выработок под острыми углами, повышение трещиноватости и снижение прочностных свойств горных пород, например в зоне влияния геологических нарушений), существует вероятность формирования зон потери устойчивости горных пород в приконтурном массиве: кровли (в виде образования куполов); боков выработки (в виде отжима); почвы (в виде пучения пород почвы); углов сопряжения кровли и боков (высыпание пород).
4. По результатам 3D-моделирования НДС выявлено, что при соблюдении проектных параметров горных выработок на устойчивость приконтурного массива горных пород оказывают влияние физико-механические свойства пород, трещиноватость массива. Данные факторы необходимо учитывать при выборе типов крепи и методик расчета их параметров.
При проектировании параметров крепи горных выработок в сложных или недостаточно изученных горно-геологических условиях необходимо осуществлять комплекс научно-исследовательских работ, что позволит выявить все осложняющие факторы и своевременно предпринять необходимые меры для обеспечения безаварийного поддержания горных выработок.
Библиографический список
См. англ. блок
Подрисуночные подписи
Рис. 1. Фрагмент расчетной конечно-элементной сетки вблизи фронта очистных работ, построенной в программе Midas GTS NX
Рис. 2. Структура массива горных пород
Рис. 3. Численная модель для расчета напряженно-деформированного состояния массива, построенная в программе Midas GTS NX
Рис. 4. Схема крепления
‹‹GORNYI ZHURNAL››, 2025, № 1, pp.
DOI: 10.17580/gzh.2025.01
Оптимизация параметров крепи горных выработок рудников и шахт на основе результатов численного моделирования
Information about authors
А. С. Позолотин, генеральный директор, канд. техн. наук, pozalex@mail.ru
А. М. Гребенщиков, зам. технического директора по проектным работам
Е. Р. Ильясов, начальник отдела геомеханики и геотехнологии
ООО НИЦ-ИГД, Кемерово, Россия
Abstract
Особую актуальность задача по геомеханической оценке приобретает при обосновании степени влияния горных работ на характер изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) и, как следствие, на устойчивость массива. 3D-моделирование горно-геологических условий, в которых осуществляются производственные процессы, позволяет выполнить прогноз горнотехнической ситуации. Обоснована возможность прогнозирования зон возможных разрушений массива горных пород, а также потери устойчивости горных выработок, что позволяет получить объективную картину геомеханических процессов и оценить их влияние на НДС породного массива в подземных выработках.
Комплекс работ по оценке, моделированию и разработке рекомендаций выполняли специалисты ООО НИЦ-ИГД на одном из горнодобывающих предприятий Российской Федерации. На первом этапе выполнен анализ информации по объекту с оценкой фактических горно-геологических и горнотехнических условий. На втором этапе осуществлено численное 3D-моделирование НДС массива горных пород на глубине более 300 м. Для расчетов и анализа использовали программный комплекс для геотехнических расчетов Midas GTS NX. С его помощью выполнены построение сложных трехмерных моделей, анализ и визуализация горного давления и упругих деформаций на контуре выработок и в целиках при различных критериях нарушенности массива горных пород.
По результатам 3D-моделирования НДС выявлено, что при соблюдении проектных параметров горных выработок на устойчивость приконтурного массива горных пород оказывают влияние физико-механические свойства пород, трещиноватость массива.
Keywords:напряженно-деформированное состояние, система разработки, 3D-моделирование, горные работы, анкерная крепь.
References
1. Zakharov V. N., Kaplunov D. R., Klebanov D. A., Radchenko D. N. Methodical approaches to standardization of data acquisition, storage and analysis in management of geotechnical systems. Gornyi Zhurnal. 2022. No. 12. pp. 55–61.
2. Guidelines on rock bolting pattern design and application in coal mines. Moscow : Tsentrmag, 2024. 168 p.
3. Li J., Shen J., He X., Zheng X., Yuan J. Numerical solution for circular tunnel excavated in strain-softening rock masses considering damaged zone. Scientific Reports. 2022. Vol. 12. DOI: 10.1038/s41598-022-08531-3
4. Shabarov A. N., Kuranov A. D., Kiselev V. A. Assessing the zones of tectonic fault influence on dynamic rock pressure manifestation at Khibiny deposits of apatite-nepheline ores. Eurasian Mining. 2021. No. 2. pp. 3–7.
5. Wu H., Chen Y., Lv H., Xie Q., Chen Y. et al. Stability analysis of rib pillars in highwall mining under dynamic and static loads in open-pit coal mine. International Journal of Coal Science & Technology. 2022. Vol. 9, Iss. 1. DOI: 10.1007/s40789-022-00504-1
6. Baibatsha A. B., Shaiyakhmet T. K., Bashilova E. S., Fedotenko N. A. Geomechanical assessment of mineral deposits based on 3D modeling. Eurasian Mining. 2024. No. 1. pp. 28–32.
7. Rylnikova M. V., Klebanov D. A., Makeev M. A., Kadochnikov M. V. Application of artificial intelligence and the future of big data analytics in the mining industry. Gornaya Promyshlennost. 2022. No. 3. pp. 89–92.
8. Makarov A. B. Practical geomechanics: tutorial for mining engineers. Moscow : Gornaya kniga, 2006. 391 p.
9. Zubkov A. A., Latkin V. V., Neugomonov S. S., Volkov P. V. Perspective ways of fastening of excavations on underground mines. MIAB. 2014. No. 1. pp. 106–117.
10. Ghorbani M., Shahriar K., Sharifzadeh M., Masoudi R. A critical review on the developments of rock support systems in high stress ground conditions. International Journal of Mining Science and Technology. 2020. Vol. 30, Iss. 5. pp. 555–572.
11. Frenelus W., Peng H., Zhang J. An Insight from Rock Bolts and Potential Factors Influencing Their Durability and the Long-Term Stability of Deep Rock Tunnels. Sustainability. 2022. Vol. 14, Iss. 17. ID 10943.
12. Myrvang A., Hanssen T. H. Experiences with friction rock bolts in Norway. Rock bolting: Theory and application in mining and underground construction : Proceedings of the international symposium. Leiden : CRC Press/Balkema, 1984.
13. He M.-C., Xie H.-P., Peng S.-P., Jiang Y.-D. et al. Study on rock mechanics in deep mining engineering. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2005. Vol. 24, Iss. 16. pp. 2803–2813.
14. Rylnikova M. V., Ezhov V. A., Nikiforova I. L., Plotnikov S. N. Energy-efficient technologies of gold ore mining and processing at Svetlinskoe deposit. Gornyi Zhurnal. 2017. No. 9. pp. 35–40.
15. Dmitruk Yu. V. The effectiveness of vibrosensitivity materials. Nauchnyi vestnik Yuzhnogo instituta menedzhmenta. 2017. No. 4(20). pp. 24–29.
16. Logachev A. V. Производство золота при поэтапной разработке месторождений. Tsvetnaya metallurgiya. 2011. No. 12. pp. 31–34.
17. Zoback M. L., Zoback M. D., Adams J., Assumpção M., Bell S. et al. Global patterns of tectonic stress. Nature. 1989. Vol. 341, No. 6240. pp. 291–298.
18. Eremenko V. A., Razumov E. A., Zayatdinov D. F. Current strata bolting technologies. MIAB. 2012. No. 12. pp. 38–45.
19. Eremenko V. A., Razumov E. A., Zayatdinov D. F., Pozolotin A. S., Prokhvatilov S. A. et al. Improving the two-tier technology anchorage broad mate of mine workings. MIAB. 2013. No. 5. pp. 20–29.
[ИЕР1]Длина анкеров в боках 1,5 м. На рисунке 4 анкера длиной 2,5 м применяются для крепления кровли.
[ИЕР2]На рисунке 4 приведена одна из разработанных схем крепления. Для конкретных условий параметры крепления подбирались индивидуально.
[ИЕР3]Высота выработки варьируется в зависимости от мощности угольного пласта. Поэтому указывается среднее значение высоты.