Напряженно-деформированное состояние в контурах подготовительных выработок с охранными сооружениями

Напряженно-деформированное состояние в контурах подготовительных выработок с охранными сооружениями

В. Ф. ДЕМИН, д. т.н., профессор кафедры РМПИ, Т. В. ДЕМИНА, к. т.н., ст. преподаватель кафедры РАиОТ, С. Н. ДВУЖИЛОВА, ст. преподаватель кафедры «Энергетика», Карагандинский государственный технический университет

Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив, горная порода, крепление горных выработок.

П

рактика применения бесцеликовых способов охраны показывает несоответствие силовых параметров крепи погрузочно-деформационным характеристикам вмещающих пород, что ведет к конвергенции их в полость выработки – до 2,0 и более метров. Сопоставление соотношений влияющих факторов показывает, что максимальное воздействие при этом принадлежит зонам повышенного горного давления. Трудоемкость поддержания участковых выработок достигает 60 чел-см/1000 т добычи и имеет тенденцию к увеличению. Затраты на поддержание с традиционными конструкциями усиливающих крепей достаточно велики и составляют, в среднем не менее 20-25 тыс. тг/м за срок их двух – или трехлетней службы и приближаются к стоимости их проведения при дефектности основной крепи в поддерживаемой части, составляющей в среднем 46 %. Поэтому создание эффективных способов и средств охраны выемочных выработок, обеспечивающих их надежное поддержание, является необходимой проблемой для эффективного содержания подземного горного хозяйства.

Проведенные исследования имели своей целью определение напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород вокруг подготовительных выработок с охранными сооружениями, возводимыми на границе с выработанным пространством, с варьированием их параметров с учетом горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации. Геомеханическое моделирование проводилось в среде автоматизированного проектирования Ansys с применением метода конечных элементов, позволяющего решить системы дифференциальных уравнений различных порядков, описывающих процессы сдвижения горных пород.

В представленной задаче решается система алгебраических уравнений [1]:

где [k] – матрица жесткости; {U} – вектор-столбец перемещений узлов одного элемента; {f} – матрица сил, действующих на элемент.

Матрицы жесткости и действующих сил определяются по формулам:

где [B] – матрица градиентов, связывающая деформации и перемещения;
[D] – матрица упругих характеристик, описывающая механические свойства; в одномерной модели – заменяется модулем упругости материала, из которого состоит тело;
V – объем тела;
[N] – матрица функций формы;

–	вектор-столбец объемных сил (каждая сила разбивается на проекции по осям координат); количество используемых проекций сил зависит от размерности задачи;

px, py, pz – поверхностные нагрузки;
{ɛ0} – начальная деформация элемента;
{P} – вектор-столбец узловых сил.

Укрупненная блок-схема автоматизированной системы (САПР) анализа параметров охранных полос (АС АПОП) представлена на рисунке 1.

В блок-схему включено три этапа: формирование модели; моделирование горно-геологических процессов; визуализация данных анализа.

На этапе формирования модели производится ввод исходных данных для их обработки и выдача log-файла с расчетной схемой модели, корректной с точки зрения ввода в САПР Ansys (рисунок 2).

Так как АС АПОП предназначена для анализа параметров бутовых полос и их влияния на изменение НДС горного массива, давления горных пород на шахтную выработку, то потребуется расчет нескольких технологических схем. В связи с этим программа позволяет создавать сразу нескольких log-файлов для технологических схем с различной шириной бутовой полосы при постоянных горно-геологических условиях.

С помощью программы имеется возможность имитировать общий вид модели (рисунок 3).

Полученный log-файл содержит следующие данные: горно-геологические параметры условий залегания пластов, которые представляют собой совокупность слоев породы, каждый из которых имеет свое положение, размеры и свойства; нагрузки и силы, действующие на верхнюю плоскость моделируемого пространства (определяется исходя из глубины залегания и усредненной плотности породы) и реакции крепей выработки; закрепление модели; дополнительные параметры решения среды Ansys – являются постоянными и при использовании программного модуля задаются автоматически.

Нагрузочно-деформационная картина проявлений горного давления в подготовительной выработке представлена на рисунке 4.

В результате применения среды Ansys получены значения параметров для симплекс-элементов модели, из которых отбирались данные о тех элементах, которые находятся на плоскости, проходящей через кровлю горной выработки [2]. По этим данным построены графики зависимостей напряжений от линейных координат (рисунок 5).

Выполненные исследования позволяют установить целесообразность применения охранных сооружений и их параметры на устойчивость выемочных выработок:

- пик максимальных напряжений смещается на 5-10 м в угольный массив и уменьшается в 1,6 раз по сравнению с положением, когда искусственные полосы отсутствуют; напряжения над самой выработкой также снижаются в 1,2-1,3 раза;

Рисунок 1 – Блок-схема автоматизированной системы (АС АПБП)

Рисунок 2 – Интерфейс программного модуля ввода данных

Рисунок 3 – Представление модели

Рисунок 4 – Нагрузочно-деформационная картина проявления горного давления в подготовительной выработке

- влияние факторов на картину НДС горных пород таково, что с ростом прочности охранной полосы по сравнению с разрыхленной породной массой в 4 раза и увеличением ширины (но не более 20м) максимальные напряжения в массиве горных пород снижаются по экспоненциальному закону почти в 2 раза;

- с ростом жесткости породной полосы и её ширины смещаются в глубь массива обрушенных пород концентрации обрезных напряжений основной кровли увеличением их абсолютного значения;

- с ростом мощности разрабатываемого пласта с 1 до 2 м относительная конвергенция горных пород в выемочных выработках при наличии бутовых полос возрастает в 1,2-1,3 раза, а без них – в 1,5-1,7 раз;

- прочность возведенной охранной полосы (Еп) практически не влияет на смещения (С) и величину напряжений на обрезе блоков основной кровли (у0) при изменении управляемости пород кровли (Ек);

- увеличение ширины породной полосы ведет к смещению сечения обрыва блоков основной кровли в глубь выработанного пространства.

Проведенные исследования позволили установить ме­ханизм проявлений горного давления при охране выемочных выработок изолирующе-несущими сооружениями.

а        г

б        в

Рисунок 5 – Объемная модель (а); напряжения в приконтурной зоне выработки без (б) и с искусственными охранными сооружениями (в) по ширине обреза массива горных пород основной кровли
и непосредственно над выработкой (г)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

, Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ. / Под ред. . 2-е изд. – М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979. 560 с. , , Лабораторный практикум по моделированию объектов проектирования на макро - и микроуровнях: Учебное пособие. Караганда: КарГТУ, 2000. 69с.