Использование пакета MSC Nastran для оптимизации параметров подземной геотехнологии Текст научной статьи по специальности «Горное дело»

Научная статья на тему 'Использование пакета MSC Nastran для оптимизации параметров подземной геотехнологии' по специальности 'Горное дело' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 52 — Горное дело
  • ВАК РФ: 25.00.13; 25.00.15; 25.00.22
  • УДK: 622
  • Указанные автором: УДК: 622.272:004

Статистика по статье
  • 89
    читатели
  • 27
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 1
    соц.сети

Ключевые слова
  • НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
  • КАМЕРНО-СТОЛБОВАЯ СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ

Аннотация
научной статьи
по горному делу, автор научной работы — Хорохонов Ю. Б.

Рассмотрены особенности проектирования подземной геотехнологии в среде MSC Nastran for Windows. Алгоритмы оптимизации позволяют управлять поиском оптимального решения. Дан пример модели камерно-столбовой системы разработки. Определены параметры напряженно-деформированного состояния системы «порода кровли целик» и спрогнозирован объем обрушений пород из кровли очистных камер.

Научная статья по специальности "Горное дело" из научного журнала "Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал)", Хорохонов Ю. Б.

 
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по горному делу , автор научной работы — Хорохонов Ю. Б.

Текст
научной работы
на тему "Использование пакета MSC Nastran для оптимизации параметров подземной геотехнологии". Научная статья по специальности "Горное дело"

УДК 622.272:004 Ю.Б. Хорохонов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАКЕТА MSC NASTRAN ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрены особенности проектирования подземной геотехнологии в среде MSC Nastran for Windows. Алгоритмы оптимизации позволяют управлять поиском оптимального решения. Дан пример модели камерно-столбовой системы разработки. Определены параметры напряженно-деформированного состояния системы «порода кровли - целик» и спрогнозирован объем обрушений пород из кровли очистных камер. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, камерно-столбовая система разработки, сжимающие напряжения, коэффициент запаса прочности.
ачество ведения горных работ определяется уровнем их технического обеспечения.
Исследования выполнены в ГОУ ПВО «Иркутский государственный технический университет» при финансовой поддержке ОАО «Бурятзолото» и ООО «Старательская артель «Кварц» [1-3]. Ниже рассмотрены основные элементы подземной геотехнологии: конструкция и размеры горных выработок, а также напряженно-деформированное со-стояние горных массивов. На стадии подготовки решений к оптимизации конструкцию и размеры горных выработок определяют по планам и паспортам горных работ, а напряженно-деформирован-ное состояние горного массива прогнозируют методом конечных элементов, реализованным в современной версии MSC Nastran for Windows.
Напомним, что рассматриваемый пакет:
- сочетает мощные аналитические возможности процессора MSC Nastran и относительную легкость графического интерфейса;
- процессор системы включает пре-процессорный, процессорный и пост-процессорый блоки. При этом препро-цессорный блок формирует геометрические модели, задает свойства используе-мьк материалов, конечный элементов и вариантов граничньк условий и внешнего воздействия различной природы, генерирует конечноэлементную сетку. На данном этапе блок допускает использование CAD - совмесIимыx и удобный для учебного процзсса П-продуктов (форматы DXF, IGES, ACIS, Parasolid и др.).
Конечно-элементные сетки (КЭС) пользователь формирует вручную на основе указанный из планов или паспортов горный работ опорный точек и (или) авторазбиением. Авторазбиение целесообразно применять для сложный частей объекта горный работ.
Характеристики и свойства горный массивов, а также крепи и (или) целиков пользователь задает или выбирает из специальные библиотек, включая кадастры горный породы, руд, а также дополнительные параметры простые и сложные композитов.
Внешние факторы, влияющие на эффективность применяемой системы разработки или ее отдельного элемента, учитывают наперед заданным набором способов нагрузки и закрепления конечно-элементной модели.
Ядро системы - процессорный блок
- решает глобальную систему дифференциальных уравнений задаваемого пользователем физического процесса. Используется метод конечных элементов (МКЭ). Этим методом можно оценить параметры полей неизвестной величины в узловых точках конечноэлементной модели объекта; а относительно этих параметров - другие зависимые величины. Например, при решении прочностных задач в качестве базового неизвестного используется вектор перемещения, на основе которого, в последующем, определяются вектора деформаций, напряжений и др.
Постпроцессорный блок визуализирует результаты счета и выполняет анализ точности, скорости и достоверности решений. В этом блоке используется богатая цветовая палитра в зависимости от интенсивности распределения изучаемых параметров. Такая визуализация значительно упрощает цифровой анализ результатов моделирования. Например, при расчете объектов на прочность можно вывести дополнительно значения векторов перемещений, деформаций, напряжений, сил, моментов и др.
Укажем несколько особенностей оптимизации параметров подземной геотехнологии в пакете MSC NASTRAN:
1. Широкий круг решаемых задач в зависимости от физики рассматриваемого процесса, в том числе в проектировании элементов подземной геотехнологии.
2. Процессорный блок можно использовать также в задачах оптимизации технологических процессов. При этом вводят необходимые ограничения, либо возвращаются в структуру препроцессорного блока и повторяют расчет.
Использование функций отмены (undo) и выполнения отмененной команды (redo) на любом уровне исполнения вычислений важно для усовершенствования проектируемой технологии или ее элемента, поскольку появляется возможность сопутствующей оценки влияния вносимых в проект изменений.
3. На всех этапах моделирования предусмотрена встроенная в процессор справочная система.
4. Алгоритм системы существенно расширяет возможности пользователя и упрощает предварительное тестирование модели посредством глубокой обратной связи.
Обратная связь практически исключает ошибки при совпадении геометрических объектов или при неправильном соединении элементов. Она же позволяет контролировать промежуточные расчеты массовых и инерционных параметров, что позволяет оценить условия закрепления элементов модели. При этом выявляются потенциальные ошибки и существенно сокращаются временные и материальные затраты процесса моделирования.
5. Параметры подземной геотехнологии в среде MSC Nastran определены в варианте использования линейного алгоритма. Можно определять их в режиме циклических расчетов, оптимизируя их по какому-либо критерию. Выполняют, таким образом, повариантные расчеты с получением вариативных характеристик некоторых параметров (например, фор-
мы, размеров и (или) свойств объектов) в виде массивов чисел.
6. Алгоритмы анализа при оптимизации моделей позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и, следовательно, управлять процессом поиска оптимального решения. Последнее свойство пакета крайне важно и полезно для оптимизации параметров подземной геотехнологии и последующей проверки модели на адекватность, поскольку проверка может быть произведена в автоматическом режиме.
Параметры подземной геотехнологии оптимизированы на техническом обеспечении кафедры самолетостроения ИрГТУ [2].
Геометрическая модель подземной геотехнологии представлена на рис. 1. В сечении по простиранию залежи отражены три симметрично расположенных целика размером 2 х 2 м, отстоящих друг от друга на расстоянии 6 м. Высота целиков 2 м. Размер конечно-элементной сетки - 0,5 м.
Моделирование выполнено на базе горно-графической документации рудника Бом-Горхон по материалам изучения физико-технических свойств горного массива в районе экспериментальных работ [2,3] .
Глубину горных работ определяли по совмещенным планам горных работ и земной поверхности; параметры выемочной единицы - по соответствующей блоковой карте. Прочностные характеристики руд и пород установлены пе-нетрацией массива, а их трещиноватость
- по специальным замерам [1,2]. Полевыми исследованиями установлены ос-
новные физико-механические характеристики вмещающих пород. Для грани-тоидов участка экспериментальных работ: плотность - 2,7 т/м3; модуль упругости -11,5 ГПа; модуль деформируемости - 14,0 ГПа; коэффициент Пуассона -0,23; прочность в условиях одноосного сжатия - 160 МПа, в условиях одноосного растяжения - 10 МПа.
Аналогичным образом могут быть введены числовые характеристики дру-
Рис. 1. Геометрическая модель камерно-столбовой системы разработки
гих пород.
Параметры напряженно-деформированного состояния системы «порода кровли - целик» в данном варианте определены расчетами плоской задачи для упруго-пластического материала (соответствующих прочностных и деформационных характеристик).
Для такой задачи вектор результатов визуализирован диаграммой ( 2) в категориях «Перемещение узла по оси «У» и «Средние напряжения в верхних волокнах пластины».
Далее отметим, что 7. Визуализация подтверждает существование областей как растягивающих (в кровле и почве очистных камер), так и сжимающих (в целиках и вокруг них) напряжений. Цветовая палитра позволяет оценить величину напряжений и де-
Рис. 2. Вектор решения задачи о напряженно-деформированном состоянии целиков камерно-столбовой системы разработки месторождения Бом-Горхон
формаций. Так, вокруг очистных выработок и в целиках напряжения достигают 1,6 до - 14,5 МПа, а в центре пролета расчетные деформации могут достичь: 9 мм кровле камеры. В почве они практически отсутствуют (0,02 мм). Расчетные напряжения в центре пролета составляют: в кровле камеры 1,6 МПа; в ее почве
- 0,2 МПа.
8. Эквивалентные напряжения в кровле камеры не превышают 3,2 МПа и обеспечат значения коэффициента запаса прочности пород кровли в допустимых [2] пределах, т.е. N = 10 / 3,2 = 3,12 на контуре камеры. Наибольшая концентрация сжимающих напряжений приурочена к углам очистных камер, в которых эквивалентные напряжения не превысят 20 МПа, т.е. коэффициент запаса прочности в целиках достигнет Nц = 160 / 20 = 8 на контуре целика, что также допустимо.
9. Отдельного внимания заслуживает
1. Хорохонов Ю.Б. Оценка устойчивости опорных целиков Ирокиндинского месторождения [текст] / Ю.Б. Хорохонов // В сб. «Современные технологии освоения минеральных ресурсов». Выпуск 3. - Красноярск. - 2005. -С. 24-251.
выявленная картина распределения напряжений в кровле очистных камер. Изостаты растягивающих напряжений симметричны относительно продольной их оси, имеют форму параболоидов и прослеживаются на глубину до 1 м в центральной части, убывая к бортам камер. Форма параболоида предопределит размеры возможных обрушений пород из кровли очистных камер, если запредельные напряжения будут достигнуты.
10. Результаты моделирования подтверждают целесообразность применения камерно-столбовой системы разработки с целиками указанных в геометрической модели размеров.
11. Модель Бом-Горхонс-ком месторождении может быть использована для обоснования безопасных параметров в других выемочных единицах или в других эксплуатационных блоках. Поправки следует вводить на глубину горных работ и на компоненты вертикальных и горизонтальных сил. Поправки уточняют экспериментальными работами.
12. Предельные деформации, полученные в результате моделирования, могут быть использованы как для обоснования инструментария маркшейдерских работ, так и для учета или для обоснования поправок на глубину и конфигурацию зон сдвижения или зон концентрации горного давления.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Хорохонов Ю.Б., Кудрявцев А.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния элементов камерно-столбовой системы разработки // В сб. «Современные технологии освоения минеральных ресурсов». Выпуск 5. - Красноярск. - 2007. - С. 137-141.
3. Хорохонов Ю.Б., Волохов А.В. Элементы менные теxнологии освоения минеральный ресистемы контроля за сдвижением горного мае- сурсов». Выпуск 6. - Красноярск. - 2008. - С.
сива на руднике Бом-Горхон // В сб. «Совре- 188-198. ВШЭ
— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------------
Хорохонов Ю.Б. - профессор кафедры Разработки месторождений полезным ископаемыx, кандидат теxническиx наук, Иркутский государственный теxнический университет, e-mail: Horohonov@istu.edu

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх