CC BY
10
УДК 622.83.551.252
Б.Ю.ЗУЕВ. канд. техн. наук, заведующий лабораторией, (812) 328 82 09 Санкт-Петербургский государственный институт {техническийуниверситет)
B.Yu.ZUEV, PhD in eng. sc., head of laboratory, (812) 328 82 09 Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СТЕНДЕ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Представлены отдельные результаты развития метода моделирования на эквивалентных материалах за последние годы, касающиеся совершенствования основной технической базы лаборатории - стендов, и позволившего значительно дополнить возможности физического моделирования для комплексного применения совместно с натурными и математическими методами при решении ряда актуальных задач горной геомеханики.
Ключевые слова: reo механические процессы, автоматизация стендов для физического моделирования, эквивалентные материалы, подготовка выемочных столбов двумя штреками.
INVESTIGATION OF GEOMECHANICAL PROCESSES IN UNDERGROUND MINING OF MINERAL RESOURCES AT THE AUTOMATED TEST BENCH FOR PHYSICAL MODELING
The paper presents the particular results of development of the method for modeling on equivalent materials in the recent years, concerning the evolution of the primary technical base of the laboratory - test benches, which allowed to supplement substantially the potentialities of physical modeling for its complex application jointly with the full-scale and mathematical methods in solving a number of actual tasks in mining geomeclianics.
Key words', geomechanical processes, automated test benches for physical modeling, equivalent materials, preparation of recoverable pillars with two entries.
Наибольшие сложности при исследовании геомеханических процессов в горных массивах при подземной разработке полезных ископаемых возникают в случаях, когда для решения поставленных задач необходимо учесть целый комплекс сложных горногеологических условий и схем отработки полезных ископаемых.
Математические методы, в том числе и методы математического моделирования, сталкиваются с серьезными препятствиями при наличии комплекса факторов, существенно усложняющих горно-геологические условия; нелинейные реакции массива на
природные и техногенные воздействия и необходимость учета разрывов его сплошности, развитие процесса во времени, резкие динамические процессы при подвижках блочных структур, и как следствие, требование учета постоянно изменяющихся граничных условий на контактах блоков
Традиционные методы физического моделирования базируются на теории подобия и теории размерности Эти методы и технические средства позволяют в целом исследовать нелинейные процессы, связанные с разрушением массива, динамическими явлениями, однако они разрешают вос-
производить только равномерные эпюры давлений на границе модели и стенда, что ограничивает их область применения.
В статье рассмотрены вопросы, связанные с разработкой новой системы нагруже-ния моделей и опытом применения этой разработки на практике. Система позволяет в автоматизированном режиме с помощью специального программного обеспечения формировать произвольно заданные граничные условия на границе модели и стенда, точность реализации которых играет ключевую роль при решении всех моделируемых геомеханических процессов, особенно при необходимости воспроизведения воздействия тектонических сил и влияния соседних горных выработок.
Регулирование эпюры давления на внешних сторонах модели, смещение ее границ и изменение скоростей этих смещений позволяют значительно расширить круг моделируемых явлений. Основные параметры стенда и разработанного оборудования: общее число силовых элементов электромеханических исполнительных механизмов (ЭИМ) по контуру модели - 32, максимальное усилие, развиваемое каждым из ЭИМ -3000 кг, мощность каждого из ЭИМ - 50 Вт, диапазон скоростей ЭИМ - от 0,1 до 10 мм/мин, максимальное перемещение нагружающего элемента - 150 мм, мощность блока усилителей - 2 кВт.
Управление силовыми элементами стендов осуществляется с помощью системы автоматического управления стендами
II]
III
III
Рис. 1. Компьютерная модель отработки смежных панелей
(САУ), представляющей собой комплекс устройств и элементов, обеспечивающих автоматическое изменение по заданной программе напряженно-деформированного состояния (НДС) моделей из эквивалентных материалов на специальных стендах с целью физического моделирования геомеханических процессов. В состав САУ входят: электромеханические исполнительные механизмы (ЭИМ), непосредственно воздействующие на модель; блок усилителей, обеспечивающий усиление сигнала, подаваемого с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для обеспечения номинальных характеристик ЭИМ; АЦП, обеспечивающий совместно с тензометрической системой СИИТ-3 и платой ввода следующие функции: преобразование аналоговых сигналов с тензо-метрических датчиков, пропорциональных фактическому значению давления ЭИМ на исследуемые объекты, в цифровые сигналы; сравнение данных цифровых сигналов с сигналами, соответствующими заданным в программе силовым воздействиям по каждому из ЭИМ; формирование аналогового сигнала в соответствии с результатами сравнения и алгоритмом управления; тензо-метрическая система, обеспечивающая опрос тензометрических датчиков и усиление низковольтного сигнала. ЭИМ являются автономными, универсальными элементами и могут быть установлены на рамах стендов различных конструкций.
Модернизированный стенд впервые был использован при исследовании условий работы целиков при подготовке выемочных столбов двумя штреками в условиях шахт «СУЭК-Кузбасс» для разработки методов определения размеров околоштрековых целиков, требующих для своего решения системного подхода, и дальнейшего применения данной схемы на практике. При моделировании был применен комплексный метод исследований на базе методов физического и компьютерного моделирования.
Суть примененного комплексного метода исследования работы целиков при подготовке выемочных столбов двумя штреками на первом этапе состояла в определении граничных условий на контуре физических
86 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.185
J_I_i__1_I
H = 200 м у = 2700 кг/м3
_L_
m, - 1.5 м
о о
Л™. = 25МПа
7—7—7—7~г л
= 15 МПа /
—L_!_I_t_
15 м
; 200 м
.Юм.
I
85 м
85 м
"К*
Юм.
т, - 1,5 м
Рис.2. Схема условий работы целика после полной отработки обеих панелей
моделей методом компьютерного моделирования и дальнейшего исследования нелинейных процессов деформирования и разрушения целиков, а также почвы и кровли методом экспериментального физического моделирования. Этот метод позволил на уменьшенной модели провести качественные и количественные исследования интересующего нас процесса в натуре, который малодоступен для более детального исследования.
Компьютерное моделирование выполнялось с помощью программы PlaxisVS. Компьютерная модель представляет собой прямоугольник шириной 800 м и глубиной 450 м. Пласт мощностью 3 м залегает на глубине 300 м по почве. В центре расположен целик шириной 15 м, оконтуренный выработками шириной 5 м.
В модели предусмотрены граничные плоскости для получения эпюр нагрузок (рис.1). В процессе расчетов на граничных плоскостях определялись величины нормальных контактных вертикальных и горизонтальных напряжений.
Основные этапы физического моделирования соответствовали принятым технологическим схемам.
На рис.2 приведена схема моделирования условий работы целика после полной отработки обеих панелей Формирование эпюр давлений на контуре модели производилось с помощью системы автоматического управления (САУ), обеспечивающей совместно со специальным программным обеспечением формирование нагружающих усилий на каждый из дискретных силовых элементов, изменяющихся во времени в соответствии с предварительными данными,
т »ixn
НИШ Г Hnv«»«»« jol С- "-та-™ •<».; рТЦ remw
А | | Л | Ж | 3 | Д | Л I JJ |
. а : | Н | К
а П 0 0 И в и ш а Чст.ютчи |IKi Нзпра.ем U iWil Аарк tW [i 3
II _ _ _ _ ,1
Рис.3. Интерфейс пользователя для 16 силовых элементов
1 &
£
0
1
I I
т
.«! 50 "I
1 40 " и
а ЗОН
10-
о О
50 100 150
Координата X, м
Рис.4. Изменение вертикальных напряжений после отработки двух панелей по 40 м
88 90 92 94 % 98 100 102 200 Координата X м
-О- 1пр = 40 м, ¿ЖЕ, = 20 м -а- £,пр = ¿ПСЕ = 40 м
Рис.5. Изменение горизонтальных напряжений при отработке двух панелей
полученными в результате компьютерного моделирования, и данными натурных наблюдений при многоштрековой подготовке Пример интерфейса пользователя (оператора) приведен на рис.3.
На рис.3 показаны давления, создаваемые каждым из 16 ЭИМ (8 вертикальных и 8 горизонтальных) в режиме реального времени В наглядной графической форме отображаются величины давлений, схема расположения ЭИМ, допустимые диапазоны отклонения фактических давлений от заданных и т.д. Специальная компьютерная программа позволяет оперативно вмешиваться в ход эксперимента, изменять параметры давлений, скоростей их изменения, останавливать ЭИМ и возобновлять их движение.
При отработке модели в условиях превалирования горизонтальных напряжений над вертикальными фиксировались закономерности изменения напряжений в непосредственной почве и кровле ленточного
целика, а также закономерности изменения вертикальных и горизонтальных смещений и деформаций целика, его почвы и кровли. Кроме того, с помощью цифровой камеры фиксировался характер развития трещин и разрушения целика.
На рис.4, 5 приведен ряд закономерностей изменения НДС, установленных при отработке данной модели.
На практике модернизированный стенд может быть использован также и для решения других задач, например, для исследования процесса и параметров сдвижений породного массива с учетом тектоники и взаимного влияния очистных фронтов на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский» или для моделирования наиболее вероятных схем геодинамических явлений с выделением значительной энергии (при резких подвижках тектонических блоков) с установлением связи между деформационными процессами и параметрами сейсмичности массива.
88 -
/£>£>ЛГ 0135-3500. Записки Горного института. Т.185
