Finite element method applied in mine pressure computation within the context of rock massif – support system interaction

Abstract

Purpose. The analysis of the current underground mine workings, both those that are in operation and works located within the mining perimeters where activity was stopped, is leading directly to the problem of stability, i.e. safety. The aim of the paper is the stability analysis of underground workings located in strongly metamorphosed andesite and determination of mine pressure in the context of rock – support system interaction was made based on numerical methods, taking into account the effects of inhomogeneous stresses, anisotropy of rocks, and time. Methods. Numerical – based finite element method was applied to obtain the stress variation radial displacement and mine pressure epures for the analyzed mine workings. To assess the stability of underground mine workings, a mathematical model was developed based on the principle of proper conformity and safety level, according to the main factors that influence the stability of underground workings. Findings. The results obtained showed that underground workings analyzed are characterized by a low stability level, which is consistent with the results obtained by the observations and numerical method. Depending on the computed level of safety has been established correspondence to class stability of underground mine workings. The results are confirmed by in situ observations and solutions obtained by experiments. Originality. The patterns of the stress-strain state change in the context of rock – support system interaction for horizontal galleries located in strongly metamorphosed andesite. Practical implications. The research results will facilitate to improve stability of mine workings and to significantly increase the safety level throughout their entire life – cycle.

Мета. Аналіз стійкості підземних гірничих виробок, пройдених у сильно метаморфізованому андезиті, за допомогою чисельних методів моделювання. Визначити характер впливу гірського тиску з урахуванням взаємодії у системі “породний масив – кріплення”, впливу неоднорідних напружень, анізотропії порід і часу. Методика. Чисельний метод кінцевих елементів використовувався для розрахунку радіального зміщення різних напружень і побудови епюри напружень для аналізованої шахти. У якості критерія міцності прийнята гіпотеза Кулона-Мора, узагальнена Друкером-Прагером відповідно до припущень Рейеса. Стійкість підземних виробок оцінювалася за допомогою математичної моделі, яка була створена на основі принципу необхідного рівня конформності та безпеки, відповідно до основних факторів, що впливають на стійкість підземних виробок. Результати. Результати, отримані у ході спостережень і чисельними методами, свідчать про низький рівень стійкості аналізованих підземних виробок. Встановлено, що зі збільшенням поперечного перерізу виробки і глибини її залягання радіальні напруження зростають від контуру до масиву, досягаючи більш низьких значень у порівнянні з напруженим станом в масиві, чим і пояснюється погіршення стійкості виробок. Визначено фактори, за якими оцінена стійкість виробки: рівень відповідності (NC), рівень безпеки (NS) і ступінь невідповідності (GC) на основі отриманої оцінки (PO) та максимальної оцінки (PM). Рекомендовано використовувати у сильно метаморфізованому андезитовому типі порід не жорстке бетонне кріплення, а кріплення з вантажонесучою здатністю, що поступово збільшується. Наукова новизна. Розкрито механізм деформування системи “масив – кріплення” у сильно метаморфізованих андезитових породах. На основі нового математичного підходу до оцінки стійкості виробок встановлено відповідність між критерієм безпеки NS і класом стійкості гірничих виробок. Практична значимість. Результати дослідження сприятимуть поліпшенню стійкості гірничих виробок і значно підвищать рівень виробничої безпеки протягом всього періоду їх експлуатації.

Цель. Анализ устойчивости подземных горных выработок, пройденных в сильно метаморфизованном андезите, с помощью численных методов моделирования. Определить характер влияния горного давления с учетом взаимодействия в системе “породный массив – крепь”, влияния неоднородных напряжений, анизотропии пород и времени. Методика. Численный метод конечных элементов использовался для расчета радиального смещения различных напряжений и построения эпюры напряжений для анализируемой шахты. В качестве критерия прочности принята гипотеза Кулона-Мора, обобщенная Друкером-Прагером в соответствии с предположениями Рейеса. Устойчивость подземных выработок оценивалась при помощи математической модели, которая была создана на основе принципа необходимого уровня конформности и безопасности, в соответствии с основными факторами, влияющими на устойчивость подземных выработок. Результаты. Результаты, полученные в ходе наблюдений и численными методами, свидетельствуют о низком уровне устойчивости анализируемых подземных выработок. Установлено, что с увеличением поперечного сечения выработки и глубины ее заложения радиальные напряжения возрастают от контура к массиву, достигая более низких значений по сравнению с напряженным состоянием в массиве, чем и объясняется ухудшение устойчивости выработок. Определены факторы, по которым оценена устойчивость выработки: уровень соответствия (NC), уровень безопасности (NS) и степень несоответствия (GC) на основе полученной оценки (PO) и максимальной оценки (PM). Рекомендовано использовать в сильно метаморфизованном андезитовом типе пород не жесткую бетонную крепь, а крепь с постепенно увеличивающейся грузонесущей способностью. Научная новизна. Раскрыт механизм деформирования системы “массив – крепь” в сильно метаморфизированных андезитовых породах. На основе нового математического подхода к оценке устойчивости выработок установлено соответствие между критерием безопасности NS и классом устойчивости горных выработок. Практическая значимость. Результаты исследования будут способствовать улучшению устойчивости горных выработок и значительно повысят уровень производственной безопасности в течение всего периода их эксплуатации.