CC BY
30
--------------------------------------------- © В.О. Садыков, 2004
УДК 622.831 В.О. Садыков
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Семинар № 3
Современные задачи механики горных пород применительно к проблеме горного давления определяются необходимостью рассматривать взаимодействия очистных и подготовительных выработок, последние из которых находятся в торцевых сечениях очистной выработки. Вместе с тем, горногеологическая обстановка и горнотехнические условия при ведении очистных и подготовительных работ, в большинстве случаев меняются, что также накладывает определенные трудности в исследованиях проявлений горного давления. При отработке угольного месторождения массив горных пород, горногеологические условия, горно-техническая ситуация, очистные и подготовительные выработки, а так же крепь в них представляют собой систему, взаимодействия в которой весьма сложны, и компьютерное моделирование такой системы позволит существенно ускорить и упростить расчеты в этой сложной системе.
Схема развития очистных работ
В подавляющем большинстве случаев угольный пласт отрабатывается длинными очистными забоями, в которых непосредственная выемка ведется механизированным или взрывным способом вдоль забоя. Рабочим органом комбайна или стругом в пласте создается уступ, передвигающийся по мере выемки вдоль очистного забоя, а подвиганий очистного забоя по пласту осуществляется отработкой полос (или лент). Подвигание уступа определим как подвигание забоя, а подвигание очистных работ как подвигание фронта очистных работ. Направления подвигания забоя и фрон-
та, как правило, не совпадают и в основном взаимно перпендикулярны. Так, например, фронт лавы движется по простиранию лентами, а уступ, образуемый комбайном или стругом, движется по восстанию или падению.
При отработке крутых пластов полосами по простиранию забой вдоль полосы движения по простиранию, а отработка полос (подвигание фронта) ведется по восстанию или падению. В случае выемки угля взрывным способом, также как и при механизированном способе выемки, образуется уступ.
В дальнейшем рассмотрении будет разделять в указанном выше смысле движение забоя и движение фронта очистных работ.
Расстояние, на которое перемещается очистной забой при однократном подвигании фронта, равно ширине вынимаемой полосы (ленты). Подвигание забоя в полосе происходит по всей ширине ее на глубину захвата рабочего органа. Таким образом, схема отработки выемочного участка представляется как фронтальное подвигание очистного забоя полосами при механизированном или взрывном подвигании забоя в полосе заходами вдоль фронта.
Начало координат может быть помещено в любой точке выемочного участка. Однако удобнее его размещать так, чтобы оно совпадало с местом расположения начала очистных работ, а выемочный участок полностью находился в первом квадранте. Ось х направим в сторону подвигания забоя вдоль фронта, ось у - в сторону подвигания фронта очистных работ. На рис. 1, а приведена принци-
пиальная схема отработки угольного пласта одним забоем, начало координат здесь совпадает с началом отработки выемочного участка.
Пусть I - координата движущегося вдоль фронта очистных работ забоя, Ь - координата движущегося фронта работ. Тогда ^ -фиксированная координата движущегося забоя, Ь - фиксированное положение фронта, определяемое отработкой ] полос. Выемка произвольной ]'-й полосы характеризуется начальным 10(]) и конечным 1п(]) положением забоя в полосе, причем эти величины могут быть различными при переходе от одной полосы к другой. Это дает возможность рассматривать схемы очистных работ и в том случае, когда выемочный участок не имеет формы прямоугольника.
При этом в каждой полосе совершается п(]) подвиганий забоя:
п(]) = [К (]) - Ш )]• «о1,
где и0 (метров за единичное подвигание забоя) - величина расстояния, проходимого забоем за заход. Полная отработка участка протяженностью (Ьк - Ь0) определяется под-виганиями фронта:
к — (Ьк — Ьо )®о ,
где Ь0, Ьк - начальное и конечное положение фронта работ, метров;
Юо(метров за единичное подвигание забоя) - расстояние, равное ширине полосы, проходимое
фронтом за подвигание.
Наиболее общей формой очистного пространства можно считать трапециевидную (рис. 1, с), из которой, частным случаем, получаются выработки прямоуголь-
Рис. 1. Схемы формирования очистных выработок: а - пространственный вид прямоугольной очистной выработки; Ь - прямоугольная очистная выработка в схеме; с - трапециевидная очистная выработка; д - треугольная очистная выработка с наклонной линией фронта; е - прямоугольная очистная выработка с механической крепью; £ -подготовительная выработка; g - прямоугольная очистная выработка с мелкоамплитудными нарушениями
ной (рис. 1, Ь), треугольной (рис. 1, ф и другой формы, в том числе с косоугольной линией очистного фронта. Также на схеме можно отразить механизированную крепь в призабойном пространстве (рис. 1, е), формирование подготовительных выработок (рис. 1, I7) и наличие геологических нарушений (рис. 1, g).
Для выемочного участка прямоугольной формы все величины 10(]) (] = 1,2,3,...,к) равны между собой и равны 10, 1п(]) = 1п, т.е. одинаковы для полностью отработанных полос. Последняя к-я полоса может быть не полностью отработана, и конечное положение забоя в ней определяется координатой I, т.е. 1п(]) = 1п.
Обозначим время в процессе отработки через t. Пусть и - скорость подвигания забоя взрывным или механизированным способом; время полного движения забоя вдоль полосы в направлении оси х будет т (])
*« (])и),
1=1
где]' = 1,2,3,.,к; т] - фиксированный момент времени. Тогда ^ (Л ) = 100( ] ) + и гг- (J) и 1п (]) = /0(]) + ит„ (]). То же для подвигания
Ь с
фронта очистных работ в направлении у.
Пусть Юо - скорость подвигания фронта, тогда
к к п( /)
Ц = Ьо +аоТп (Л і = ^т„ (/) = (/).
і=і і=і '=1
Однако вместо абсолютного времени при рассмотрении процесса отработки участка удобно пользоваться количеством подвиганий забоя в полосе ' = 1,2,3,...,и(/) и количеством подвиганий полос/ = 1,2,3,.. .,1. Тогда за скорости движения могут быть приняты величины и0 и ю0.
Выемочное поле может отрабатываться несколькими забоями, например, при системе отработки полосами по простиранию в восходящем порядке с гидрозакладкой выработанного пространства число забоев равно двум. При столбовой системе добычи угля каждый столб
Рис. 2. Исходные данные задачи моделирования формирования систем горных выработок: а - табло исходных данных с параметрами и схемой системы выработок; Ь - схема системы горных выработок; с - форма просмотра и печати исходных данных
можно рассматривать как отрабатываемый одним забоем. В общем случае выемочное поле отрабатывается М забоями, причем каждый из р участков (р = 1,2,3,...,М) полностью описывается величинами, рассмотренными выше. Это начальное и конечное положение забоя 10(р) и 1п(р), число подвиганий забоя п(р), начальное Ь0(р), конечное Ьк(р) положения фронта и число полос Л(р). Кроме того, каждый забой характеризуется координатами ее начала х0(р), у0(р) в основной системе координат х0у, а также параметрами а(р) и А(р), указывающими на совпадение направлений забоя и фронта каждого отдельного участка с направлениями осей х и у. Если направления движения совпадают, то параметры отрицательны, если противоположны - то положительны.
Введем подвижную систему координат х*(р), у*(р), связанную с подвиганием забоя в каждом из р участков. Используя обычные формулы для переноса декартовой системы координат, получим
х*(р) = х + а( р) • I(р) - хо(р),
У*(р) = У + А(р) ■Ь(р) -Уо(р).
Координаты положений очистного забоя х*(р), У*(р) в абсолютной системе координат х0у для произвольных расстояний, пройденных забоем 1(р) и фронтом Ь(р) работ, определяются из условий х*(р) = у*(р) = 0 или с учетом предыдущего выражения: хз(р) = хо(р) - а(р) • 1(р),
Уз( р) = Уо( р) - А( р)'Ь( р).
Тогда при фиксированных расстояниях и(р), Ь](р), пройденных очистным забоем, координаты местоположения забоя будут:
а
7» у. г И>М
-1м* |"
-II*
| ■ . ■
Ь
х,-(р) = хо(р) - а(р) ■ 11(р),
У](р) = Уо( р) - А( р) •Ь](р).
А с учетом угла поворота относительно подвижной системы координат координаты местоположения забоя ха(р), уа(р) примут вид:
ха (р) = л/х *(р)2 + у *(р)2 соз(р + а), уа(р) = л/х *(р)2 + у *(р)2 Sln(^ + а),
„ - х *(р) ______ У *(р)
д/х *(р)2 + у *(р)2 д/х *( р)2 + У *( р)2
где а - требуемый угол поворота, а ф - начальный угол поворота.
Рис. 3. Области расчетов задачи моделирования системы подготовительных и очистной выработки: а -
область вентиляционного штрека и лавы с механизированной крепью; Ь - область конвейерного штрека и лавы с механизированной крепью
Программная реализация V модели формирования системы
Щ горных выработок
Программная реализация данной модели осуществлялась на языке Бе1рЫ. Тип данных представляет собой набор вариантов, количество которых не ограниченно, в каждом варианте задается набор выработок (очистных или подготовительный), крепи в них, горно-
f геологические условия и горнотехническая ситуация. Каждой
выработке задаются ее парамет-
ры, причем не только геометрические, но и параметры влияния на горный массив. Данные хранятся на диске в типизированном файле.
В программе существует функции дублирования вариантов, создание выработок различных типов, задания разных параметров прорисовки выработок на схеме, различные варианты отображения схемы горных выработок, прорисовка любой части схемы отдельно, печать, как всей схемы, так и любой ее части вместе с табло данных или без него.
Данная программа существенно упрощает моделирование формирования систем горных выработок при отработке угля, что позволяет на базе данной модели осуществлять различные расчеты, такие как расчет
геомеханического состояния массива горных пород, газовыделение при отработке пласта и друШжим образом, сложную систему взаимодействия массива горных пород с горногеологическими условиями, горнотехнической ситуацией, очистными и подготовительными выработками, а так же крепью в них, можно представить в схеме развития
а
горных пород набором выработок с разными параметрами, что позволяет наиболее полно отразить существующую ситуацию на выемочном поле, а значить и наиболее полно
1. Власенко Б.В. Компьютерное экспериментально-аналитическое моделирование состояний массива горных пород для геомеханического мониторинга на угольных шахтах // Горный информационноаналитический бюллетень. Москва. 2001, №10. - с. 114120.
2. Садыков В.О. Программа расчета напряженно-деформированного состояния массива горных парод
учесть факторы при решении задач прикладных проблем физических процессов горного производства.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
при отработке угольного пласта // Сборник трудов молодых ученых Кемеровского государственного университета, посвященный 60-летию Кемеровской области / Кемеровский госуниверситет. - Кемерово: Полиграф, 2003 - В.3 - т.2 - с. 70-71.
3. Тейксейра Стив. Бе1рЫ 5. Руководство разработчика / Стив Тейксейра и Ксавье Пачеко // Москва: Издательский дом «Вильямс», 2000. Том 1. - 832 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Садыков Виталий Олегович - аспирант, Институт угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук.
------Ф
^-------
-------------------------------------------- © В. М. Герасимов, 2004
УДК 622.831 В.М. Герасимов
АРМИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СРЕД В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар № 3
ассивы горных пород, используемые в сооружении гидроотвалов, дамб, плотин, насыпей имеют широкий спектр по структуре, видам, зерновому составу материалов. Наиболее распространены глины, пески, галечники, щебень, кусковые материалы скального типа. Геомеханические процессы в таких сооружениях сопровождаются деформациями сжатия и сдвига горных пород. К техническим решениям, повышающим устойчивость сооружений и их откосов, относят армирование стержнями, пластинами, блоками, тюфяками, выполненными из стали, цветных металлов, бетона, полимеров. Замена дорогостоящих армирующих материалов более дешевыми и
технологичными материалами является актуальной задачей.
Волокнистые материалы из синтетических полимеров, консолидированные с помощью иглопробивной технологии в прочные структурные композиции в виде полотен объемной плотностью 100-150 кг/м3, пористостью 80-93 %, шириной 1,8-5 м, высотой 3-7 мм, успешно применяются в качестве армирующих прослоек. Благодаря высокопористой гетерогенной структуре синтетические волокнистые полимеры обладают высокой способностью влагопе-реноса, а также имеют значительную зону упругого деформирования при растяжении и сжатии.
