Prediction of the Stress-Strain State of Circular Workings in a Layered Massif by Scaling

Abstract

EN: The scientific and technical task for determining the stress-strain state of mine workings is complicated by the presence of a layered massif. This task assumes particular importance in the case of circular tunneling. During its operation, it is important to predict the change of the stress-strain state for the massif or to carry out the prompt determination in the change of stresses and displacements for the unsupported working. The solution of this geomechanical task allows performing geometrical matching of the working, ensuring its strength and stability in the layered massif. A numerical finite element method based on StructureCAD (SCAD) software package was used to solve it. Four geomechanical systems were calculated: "unsupported working – layered massif". Owing to the obtained results, graphs of stresses and displacements were constructed, which allow to determine these parameters for workings with different geometric parameters and χ-parameter characterizing the ratio of the elasticity modulus of the matrix and the layer. Obtained regularities of change of stresses and displacements for the unsupported working when zooming made it possible to introduce scaling-parameters, which are a dimensionless ratio of the radii for a real system and a system with a unit diameter.

UK: Науково-технічна задача визначення напружено-деформованого стану гірничих виробок ускладнюється наявністю шаруватого масиву. Особливої важливості ця задача набуває у випадку проходки тунелів колового окреслення. Під час її проведення важливо прогнозувати зміну напружено-деформованого стану масиву або виконувати оперативне визначення зміни напружень і переміщень незакріпленої виробки. Вирішення цієї геомеханічної задачі дозволяє виконувати підбір геометричних параметрів виробки, що забезпечують її міцність та стійкість в шаруватому масиві. Для її вирішення був застосований чисельний метод скінченних елементів на основі програмного комплексу StructureCAD (SCAD). Були проведені розрахунки чотирьох геомеханічних систем: «незакріплена виробка – шаруватий масив» (з шаром товщиною 0,5R та 4R, що залягає посередині виробки діаметром 1 і 2 м). Завдяки отриманим результатам були побудовані графіки напружень і переміщень, які дозволяють визначати ці параметри для виробок із різними геометричними параметрами та χ-параметром, що характеризує відношення модулів пружності матриці і шару. Отримані закономірності зміни напружень і переміщень незакріпленої виробки під час зміни масштабу дали змогу ввести scaling-параметри, які є безрозмірним відношенням радіусів реальної системи та системи з одиничним діаметром.