CC BY
65
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
