Simulation of the support-enclosing rock mass interaction for deep mining

Abstract

Purpose. To develop analytical model for a support-enclosing rock interaction to determine parameters for operational stability of deep mine workings while decreasing metal consumption and increasing efficient use of resources. Methods. Involving various strength degradation functions and variations of physical and mechanical properties of rocks, mathematical modeling is used to consider the ranges of force action of a support on the enclosing rock mass of deep mine workings. Findings. Analytical dependence of a support effect on the rock border displacement as well as on the changes in cross section of the mine working has been obtained. Effective interval of the support force resistance to block limit zones of the rock mass deformations has been substantiated. Innovative approach relying on the priority of the support working capacity as well as its forming characteristics has been proposed. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining. Originality. It has been determined for the first time that 150 – 250 kN/m2 interval of a support resistance is the most efficient and achievable; while mining deepening (more than 1000 m), a support resistance achieves 350 – 400 kN/m2. Higher values are not practical. Practical implications. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining and to determine the required parameters of both force and deformational characteristics of supports making.

Мета. Розробка аналітичної моделі взаємодії кріплення й масиву для визначення параметрів забезпечення експлуатаційної стійкості гірничих виробок на великих глибинах, зниження їх металоємності та підвищення ресурсозбереження. Методика. Математичним моделюванням із залученням різних функцій знеміцнення та варіації фізико-механічних властивостей гірських порід розглянуті діапазони силових впливів кріплення на масив, що містить виробку глибокого закладення. Результати. Встановлено аналітичну залежність впливу кріплення на зміщення породного контуру та зміну площі перерізу виробки. Обґрунтовано ефективний інтервал силового опору кріплення для блокування граничних зон деформацій масиву. Досліджено параметри працездатності кріплення та його утворюючих характеристик – робочого опору та конструктивної піддатливості як роботи, що забезпечує формування системи “кріплення – масив». Наукова новизна. Запропоновано новий науковий підхід, заснований на пріоритетності параметра працездатності кріплення та його утворюючих характеристик. Вперше встановлено, що найбільш ефективним і реально досяжним є інтервал опору кріплення 150 – 250 кН/м2, зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт понад 1000 м опір кріплення сягає 350 – 400 кН/м2, а більш – є недоцільним. Практична значимість. Результати досліджень з достатньою для практичного застосування точністю можуть використовуватися для визначення необхідних параметрів силових і деформаційних характеристик кріплень, дозволяють регламентувати практику використання існуючих кріплень та розробку нових конструкцій, що відповідають підвищеним геомеханічним вимогам великих глибин розробки.

Цель. Разработка аналитической модели взаимодействия крепи и вмещающего массива для определения параметров обеспечения эксплуатационной устойчивости горных выработок на больших глубинах, снижения их металлоемкости и повышения ресурсосбережения. Методика. Математическим моделированием с привлечением различных функций разупрочнения и вариации физико-механических свойств горных пород рассмотрены диапазоны силовых воздействий крепи на вмещающий массив выработок глубокого заложения. Результаты. Получена аналитическая зависимость влияния крепи на смещение породного контура и изменения площади сечения выработки. Обоснован эффективный интервал силового отпора крепи для блокировки предельных зон деформаций массива. Исследованы параметры работоспособности крепи и образующих его характеристик – рабочего сопротивления и конструктивной податливости как работы, обеспечивающей формирование системы “крепь – массив”. Научная новизна. Предложен новый научный подход, основанный на приоритетности параметра работоспособности крепи и его образующих характеристик. Впервые установлено, что наиболее эффективным и реально достижимым является интервал отпора крепи 150 – 250 кН/м2, с увеличением глубины ведения горных работ более 1000 м отпор крепи может достигать 350 – 400 кН/м2, а более – является нецелесообразным. Практическая значимость. Результаты исследований с достаточной для практического применения могут использоваться для определения необходимых параметров силовых и деформационных характеристик крепей, позволяют регламентировать практику использования существующих крепей и разработку новых конструкций, отвечающих повышенным геомеханическим требованием больших глубин разработки.