CC BY
121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трафимов И.М., Мезенцев К.Т., Кривобородов И.П. Особенности очистных работ на руднике "Октябрьский" // ФТПРПИ. - № 5, 1976. - С. 1-4.
□ Авторы статьи:
Егоров Петр Васильевич
- докт.техн.наук, проф., зав. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Редькин Валерий Александрович
- канд.техн.наук, ст. преп. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
УДК 622.831
Д.В. Панфилова, А.В. Ремезов
АНАЛИЗ МЕТОДИК РАСЧЕТА ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Введение
Ведение горных работ в массивах пород приводит к изменению начальных напряженных состояний и проявлению различных механических процессов.
Общие геомеханические закономерности изменения напряжений в горном массиве являются основой для прогноза его состояния при обосновании способов управления горным давлением и расчете параметров систем разработки месторождений полезных ископаемых. Оценка напряженного состояния массива преимущественно осуществляется по отношению напряжений, действующих во взаимно перпендикулярных направлениях - главным осям тензора напряжений. К середине 60-х гг. был получен значительный объем экспериментальных данных о горном давлении и напряженном состоянии массивов горных пород в верхнем слое ЗК.
До 1951 г. за основу расчетов всегда брали теорию гравитационных сил. Представления сводились к тому, что земная кора находится в равновесии. Если напряжения изменяются под воздействием каких-либо глобальных факторов, то со временем они релаксируют.
В 60-е гг. стало известно о повышенных горизонтальных (тектонических) напряжениях в
массивах горных пород, что явилось поворотным моментом в развитии геомеханики.
Поэтому в новых методиках расчета горного давления стали учитываться и гравитационные, и горизонтальные силы, тогда как ранее опирались лишь на гравитационные напряжения.
Методики расчета горного давления с учетом только гравитационных напряжений
1. Протодьяконов, 1907 г. Гипотеза свода [1]. Нагрузка на крепь
Рх =
„а? - x2), па[
где a - полупролет свода;
f - коэффициент крепости пород кровли;
х - расстояние от рассматриваемой стойки до забоя;
п - число стоек на 1 кв. м площади кровли;
у- объемный вес пород.
2. Цимбаревич. Гипотеза призм сползания [1]. Давление пород на крепь R = byBH{1 - tgр■ ctgS),
где B - ширина призабойного пространства;
у- объемный вес пород;
Ь - ширина секции крепи;
И - глубина ведения работ; р - угол внутреннего сопротивления породного массива;
3 - угол между гранью опускающегося параллелепипеда и плоскостью пласта.
3. Слесарев, 1935 г. Гипотеза плит и балок [1]:
а) при кровле, аналогичной свободно опертой балке, давление
4
Н? .
р. = у . ■ И- — к ■ ■ ——
±г ср / прг Г1г рг _2
/эг
Ь) при кровле, аналогичной балке с защемленными концами, давление
И2
р =у . ■ и. - 2К ■ ■ —,
£г ср I прг ,1г '-рг 2
/эг
где г - порядковый номер подстилающего слоя;
иг - мощность подстилающего слоя;
Крг - предел прочности породы на разрыв в подстилающем слое;
/эг - эквивалентный пролет подстилающего слоя;
упрг - приведённый объемный вес пород подстилающего слоя.
4. Лабасс, 1950 г. Гипотеза предварительного расстрелива-ния [1]. Давление на стойку Р = //' еЗсояа +
+ 0,1/' ^ -^2. $ С08 а+2 р ,
где S - коэффициент, являющийся функцией жесткости
крепи;
/ - коэффициент, являющийся функцией изгиба основной кровли;
/ - расстояние между рядами стоек;
/' - расстояние между стойками в ряду;
е - мощность обрушающей-ся части непосредственной кровли;
8 - удельный вес пород кровли;
а - угол падения пласта; р - давление, возникающее при равномерном расширении пород, перпендикулярном плоскостям напластования, при отсутствии угольных прослойков можно пренебречь этим давлением;
а - шаг осадки основной кровли;
и - мощность осадки основной кровли.
5. Руппенейт, 1957 г. [2]. Начальные смещения кровли над забоем, вызванные деформацией угольного пласта под действием веса покрывающей толщи пород
И0 = 11,5 у Ео-,
Епл
где у - объемный вес пород покрывающей толщи;
И - глубина ведения работ; Ипл - мощность пласта;
Ет - модуль упругости пласта.
Методики расчета горного давления, учитывающие гравитационные и горизонтальные напряжения
6. Глушихин Ф.П. [3]. Суммарная нагрузка блоков пород кровли на крепь на 1 пог. м. лавы определяется из формулы
П2_
_ 2
где / - коэффициент трения;
а1 - угол наклона грани блока к горизонту;
у- объемный вес пород;
И - высота блока;
/ - длина блока;
п1 - количество поддержи-
р0 =у/
-П1{1 - ^а1)
ваемых блоков;
п2 - количество зависших блоков.
7. Авершин С.Г., Груздев В.Н., Степанов В.Я. [3]. Для учета нелинейности распределения напряжений ах по поперечным сечениям полосы (балки) предлагается вычислять эти напряжения по формуле 12
ах {х,У) = ту Iм {х)- кИ<2{х)\ х
ходе очистного забоя от разрезной выработки) по формуле
И
х|У-т| +
(0 < х < Ь,0 < у < И).
Для расчета касательных напряжений тху в полосе (балке) предлагается следующая формула
“ху
(х,У ) =
= в(х)
кИ
сИ1 - сИ11 у - —
2 И V 2
где М(х) - изгибающий момент в поперечном сечении полосы;
Q(х) - поперечная сила;
И - толщина кровли;
Ь - контур выработки;
к = 0,0854.
8. Кузнецов С.Т. Расчет нагрузок на крепь [4].
8.1. Расчет расслоения пород кровли.
Предел прочности при разрыве в направлении, перпендикулярном контакту,
а'р 1 = 0,4С',
где С" - коэффициент сцепления (зависит от шероховатости поверхности).
a) Первичное расслоение пород кровли возможно при величине сдвигающей силы
у 1
АКГ« 0,60 - 0,1 р'-0,3-----> с1г
X*
де р' - угол трения контактов;
X* - безразмерная полуширина выработки, выражается через ее высоту;
У - безразмерная ордината расположения точки, до которой подсчитывается АКТ.
с*1 - безразмерное сцепление.
b) Расчет первого предельного пролета (шаг первого обрушения пород кровли при от-
Ь1г =
и2 + зрЩрг - 6рг^
угИ
где И - суммарная мощность тонких вышележащих слоев;
у' - приведенный удельный вес пород рассчитываемого слоя;
аи - предел прочности пород при изгибе;
рг - параметр характеризующий внешнюю нагрузку;
р' - угол трения на кон-
такте рассчитываемого слоя с вышележащим;
Лг - расстояние от кромки опоры до точки приложения равнодействующей внешней нагрузки Рг;
г - номер слоя пород кровли.
8.2. Расчет вторичных разрушений кровли (разрушений, происходящих в окрестности очистного забоя после первой осадки кровли). Условие возможности расслоения
Ьр /Ь2 < 1 , где Ьр - длина консоли на момент расслоения;
Ь2 - предельный вылет консоли при изгибе.
При невыполнении этого условия разрушение консоли начинается по наклонной трещине.
8.3. Оценка нагрузочных свойств кровли
Р+0.553 Р2+0.306Р3+0.169 Р4+0.094 Р5+0.029 Р6 , где р1 - р6 - нагрузки от блоков, соответственно, 1 - 6 ярусов.
9. Егоров П.В. Напряжения в точке максимума опорного давления [5]
а
шах
где Л - напряжения на стойке;
у - удельный вес пород кровли;
Д - безразмерный параметр; асж - прочность угля на сжатие;
8- безразмерный параметр; И - глубина ведения очистных работ;
10. Курленя М.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глушихин Ф.П. В методике учитывается явление зональной дезинтеграции. НДС оценивается по данным геофизического каротажа. Напряжения в массиве [6]
/ + г
а = aR0 exp
Р-
r
где а и Р - коэффициенты, определяемые из выражения
1, р =1; а А Р В А и В - экспериментальные константы;
г - радиус выработки;
/ - расстояние от контура выработки до наиболее удаленной зоны дезинтеграции;
R0 - прочность массива на одноосное сжатие.
11. Васильев Л.М. Горизонтальные напряжения рассчитываются по формуле [7]
( 2 ,
Л а в + kл-
= 2
k - цав cos p
= °в
I
1 - Ь2
+ ав
к + /иав
где <ув=уИ - вертикальные напряжения.
f - коэффициент контактного (внешнего) трения.
ц - коэффициент внутреннего трения.
к - сопротивляемость материала на сдвиг.
р = arctg и - угол внутреннего трения.
12. Грицко Г.И., Цыцаркин В.Н. В конкретных условиях определяются размеры области неупругих деформаций в угольном массиве и с учетом данных
о смещениях установить необходимую податливость и несущую способность крепи [8].
dUk
r0
(l - 2v)R
dU0 R2(l - 2v) + -2
1 - 2v r2 (l - 2v) +
r0
2vR2 (l - 2v)
r0
2l-^+ r + r2-+ 2(bro + p).
1 +
R2 (1 - 2v) + V(2
Rr (1 - rv) , \
YT—V2 (lnro + p +1
R2(1 - 2v) + r2
, (R > r0 > 1),
где AU0 - измеряемые приращения смещений вмещающих пласт пород;
AUk - приращение смещения контура выработки;
r0 - радиус упругопластической границы;
R - радиус упругопластического угольного кольца;
v- коэффициент Пуассона; p - равномерное давление на контуре выработки, равное отпору крепи;
r - радиус кругового отверстия, вокруг которого определяют границы области пластических деформаций.
13. Кулаков В.Н. Оценивается напряженное состояние призабойной части угольного массива при разработке крутых угольных пластов. Зависимость опорного давления от глубины и параметров зависающей кровли [9]
Gg _ Gg max х
(3,37 - 0,8e-08F - 4,8m0’15)
F_f■102,
L
где f/L - наклон кровли; m - мощность пласта;
&g max - дополнительное максимальное опорное давление.
14. Сырников Н.М. Рассчитывается напряженное состояние структурно неоднородного горного массива в окрестности подземных сооружений. Дополнительные напряжения концентрируются и со временем релак-сируют на неоднородностях. Уравнение для избыточного напряжения на неоднородностях [10]
dAGik _ 2 deik AGik v
■ _ pCi —;----------:—v
dt
dt
l
где ci - скорость упругих поперечных волн;
eik - девиатор тензора напряжений;
v - скорость релаксации; p - плотность среды;
l - характерный размер неоднородности;
A<jik - неупругое напряжение.
15. Трубецкой К.Н., Бронников Д. М., Кузнецов С. В. Рассчитывается горное давление на межкамерные целики. Среднее напряжение на участке контакта кровли с целиком [11]
1 b
Gyp _ I & yd x a
Gy _ -yH + 2 Re ф(х)
где y- объемный вес пород;
Н - глубина участка контакта кровли с целиком;
a - половина расстояния между целиками; b = a + 1;
Ф(х) - ширина межкамер-ного целика.
16. Михайлов А.М. Оценивается напряженное состояние массива горных пород в окрестности пласта с выработкой. Опорное давление в любой точке массива вне выработки [12]
Gzz(x,y,z) _
- -%)2 +( -Л? У&п
V ^ '
где Р - некоторая вспомогательная функция;
V - область локализации функции;
G - радиально симметричная положительная функция.
17. Курленя М.В., Миренков В.Е., Шутов А.В. Рассчитывается напряженно-деформированное состояние массива горных пород в зоне взаимного влияния выработок, расположенных в зонах влияния очистных работ [13]. 2
Gn _ Gy (sin в)2 +
gx (cos в) +TxySin2d,
G x -Gy zn _----2— sin 2в - rxy cos 2в
где Txy - касательные напряжения;
Gx, Gy - нормальные напряжения;
в - полярный угол.
18. Михайлов А.М. Рассчитываются напряжения вокруг трещины. Распределение нормальных напряжений по радиусу в плоскости трещины [14]
°zz (r,o) = -
2p0
п
arcsin— r
Г~2 2
\r - c
где г - радиус в плоскости трещины;
с = 0,5 и р0 = 1 (полагалось в расчетах).
Максимальное раскрытие трещины в ее центре (при г = 0).
19. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Напряжения и смещения вокруг отработанного по простиранию участка пласта [15]
ах = -(l - a)o ±
2x
y ~"ХУ
±уху
ЛГ-Х?
■sin в,
где ау - исходные нормальные напряжения;
_ О
Тху - исходные касательные напряжения;
Ь = 0,5 пролета отработанного участка пласта;
д - полярный угол;
у - удельный вес пород;
х и у - координаты исследуемой области;
а - угол падения пласта. Двойной знак (±) указывает на то, что формула относится к кровле (+) и почве (-).
20. Айталиев Ш.М., Таки-шов А.А. Рассчитана связь деформаций с напряжениями в налегающей толще пород над целиками [16]
1 -v
v
-----Gyi
l -v
Syi ='
Е
V
а yi - L
1 -v
<7
xi
где Е - модуль упругости в породе;
v- коэффициент Пуассона в породе;
Gxi, Gyi - нормальные напряжения в i-ой пачке;
i - номер пачки пород кровли над целиками.
21. Бушманова О.П., Реву-женко А. Ф. Напряжения в массиве пород вокруг выработки в случае, если она окружена пластической зоной [17]
2k cos с
r2 -1),
ав =
(l - sinC),
2k cosC(r2 -1)
где s =
(l - sinf) 2 sin p 1 - sin p
- + r
Напряжения в упругой области
2k cosf
(l - sinf)
lc — +
s (r2 - c2)'
ав ='
2k cos ф
<( 2 . 2 ) у + c )
где ад - нормальное окружное напряжение;
к - сцепление;
ф - угол внутреннего трения;
с - радиус пластической зоны;
г, д- полярные координаты точки области
(1 < г < ^0 <д< 2л);
R - внешний радиус исследуемой области.
Заключение
В отличие от методик расчета горного давления, разработанных до 60-х годов, методики настоящего времени учитывают не только гравитационные, но и горизонтальные силы. Подавляющее число расчетов напряженно-деформированного состояния около полостей в массиве пород проводится в рамках упругой модели среды, ограничиваясь двухмерным случаем. Однако многие, возникающие на практике ситуации в горном деле, не позволяют обоснованно применять решения плоских задач для прогноза напряжений и смещений. В таких случаях используется пространственное моделирование. Наиболее рациональна упругая модель среды, позволяющая, в отличие от пластической, более полно учесть необратимые эффекты, возникающие на некоторых характерных поверхностях скольжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
xi =
х
c
c
X
2
L
s
c
U
r
1. Борисов А.А., Мельников Э.Ф. Управление состоянием массива горных пород .- Кемерово: Куз-ГТУ, 1978. - с. 33-56.
2. БорисовА.А. Расчеты горного давления в лавах пологих пластов . - М.: Недра, 1964. - 278 с.
3. Проблемы механики горных пород / под ред. Бажина Н.П., Барановского В.И. - Новосибирск: Наука, 1971. - 711 с.
4. Кузнецов С.Т. Разупрочнение труднообрушаемых кровель угольных пластов .- М.: Недра, 1987. -200 с.
5. Практикум по геомеханике / Егоров П.В. - Кемерово: КузГТУ, 1998. - 136 с.
6. Курленя М.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А., Тапсиев А.П. Об одном методе оценки напряженного состояния массивов горных пород // ФТПРПИ. - 1992. - № 5. - с. 3-7.
7. Васильев Л.М. Расчет горного напряжения в горном массиве // ФТПРПИ. - 1993. - № 4. - с. 9-13.
8. Грицко Г.И., Цыцаркин В.Н. Определение напряженно-деформированного состояния массива вокруг протяженных пластовых выработок экспериментально аналитическим методом // ФТПРПИ. - 1995. - №3 - с. 18-22.
9. Кулаков В.Н. Оценка напряженного состояния призабойной части угольного массива при разработке крутых угольных пластов // ФТПРПИ. - 1995. - № 3. - с. 3-18.
10. Сырников Н.М., Родионов В.Н. О напряженном состоянии структурного неоднородного горного массива в окрестности подземных сооружений // ФТПРПИ. - 1996. - № 6. - с. 31-44.
11. Трубецкой К.Н., Бронников Д.М., Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Напряженное состояние горных пород и давление на межкамерные целики // ФТПРПИ. - 1997. - № 5. - с. 3-14.
12. Михайлов А.М. Напряженное состояние горных пород в окрестности пласта с выработкой. Трехмерная задача // ФТПРПИ. - 1999. - № 5. - с. 35-42.
13. Курленя М.В., Миренков В.Е., Шутов А.В. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород в зоне взаимного влияния выработок // ФТПРПИ. - 2000. - № 3. - с. 8-17.
14. Михайлов А.М. Расчет напряжения вокруг трещины // ФТПРПИ. - 2000. - № 5. - с. 36-43.
15. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Напряжения и смещения вокруг отработанного по простиранию участка пласта // ФТПРПИ. - 2000. - № 5. - с. 17-30.
16. Айталиев Ш.М., Такишов А.А. Управление сводообразованием при камерно-столбовой системе отработки. Ч. 1: Напряженное и деформированное состояние массива // ФТПРПИ. - 2000. - № 2. - с. 5-
15.
17. Бушманова О.П., Ревуженко А.Ф. Напряженное состояние породного массива вокруг выработки при локализации деформаций сдвига // ФТПРПИ. - 2002. - № 2. - с. 18-27.
□ Авторы статьи:
Панфилова Ремезов
Диана Викторовна Анатолий Владимирович
- магистрант каф. РМПИ - докт.техн.наук проф. каф. РМПИ
УДК 622.457:621.3.019.3 А.М. Ермолаев РЕЗУЛЬТАТЫ ИПЫТАНИЙ РАЗЛИЧНЫХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ТРУБ НА НАДЕЖНОСТЬ
Известно, что при остановке ВМП гибкая вентиляционная труба при нагнетательном проветривании по своей длине обвисает и сплющивается. Только в непосредственной близости с соединительными кольцами труба сохраняет свою рабочую форму. Полное сплющивание трубы происходит на расстоянии 2-3 м от соединения. При включении вентилятора в трубе происходит пневмоудар - хлопок, в результате чего отрезок трубы получает осевое усилие, которое стремится стянуть наружное распорное кольцо с внутреннего кольца смежных отрезков труб. За счет этого происходит рассоединение става вентиляционных труб, нарушается целостность става, прекращается доступ воздуха в призабойную часть выработки,
происходит аварийный отказ работы ВМП.
На практике применяются следующие меры предотвраще-
ния разрывов в стыковом соединении:
- в В 2-3 местах по периметРУ трубы проволочной скруткой
Результаты стендовых испытаний существующих и предложенных соединений вентиляционных труб
Тип соединения Число циклов остановки вентилятора до очередного рассоединения става
Соединение без фиксирующих элементов (а.с.393530 СССР) 8 - 12
Соединение с фиксирующим элементом типа «удавка» диаметром d=0,95 Бто 22 - 27
То же, диаметром d=0,9 Вто 43 - 57
То же, диаметром d=0,85 Бто 102 - 123
То же, диаметром d=0,8 Вто Нет разрывов
Соединение нового типа СВТ - 1 (патент 8и 1724889) Нет разрывов
Соединение нового типа СВТ - 1 (патент 8и 1724889) Нет разрывов
