CC BY
38
Ю. А. Степанов
канд. техн. наук, доцент Новокузнецкого института (филиала) ФГБОУ ВПО «КемГУ»
УДК 622.83+004.942
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ
Изложена методика проведения компьютерного моделирования динамических процессов разрушения горных пород в окрестности очистного забоя с учетом деструктивных накоплений в углепородном массиве, основанная на использовании различных состояний секции механизированной крепи и ее воздействия на боковые породы, что позволяет прогнозировать и своевременно принимать управленческие решения для обеспечения безопасности ведения горных работ.
Ключевые слова: УГЛЕПОРОДНЫЙ МАССИВ, ПРОГНОЗИРОВАНИЕ, ОЦЕНКА НДС ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ, ГЕОДИНАМИКА, ГЕОИНФОРМАТИКА, БЕЗОПАСНОСТЬ
Современные условия ведения горных работ характеризуются высокими нагрузками на очистной забой, доходящими в отдельных случаях до 30-40 тыс. тонн в сутки. Скорость подвигания очистных забоев достигает 250-300 м/мес., что в разы превышает темпы ведения горных работ, существовавшие 10-20 лет назад [1]. В связи с резким увеличением нагрузки на очистной забой и скорости его подвигания, значительно усложнилась задача управления горным давлением и борьбы с газом. Увеличилась аварийность. Аварийные ситуации при ведении очистных работ все чаще приобретают характер катастрофических, трудно прогнозируемых и трудноклассифициру-емых, особенно аварии, связанные с геодинамическими явлениями, когда к процессу разрушения на больших площадях шахтного поля присоединяются выбросы, взрывы газа и пыли [2].
Практика ведения горных работ показывает, что существующие методики не позволяют достоверно оценить влияние периодичности обрушения пород кровли на интенсивность отжима угля и степень разрушения пород кровли над верхним перекрытием секции механизированной крепи в движущемся очистном забое, что не обеспечивает одновременно стабильность высоких нагрузок на комплексно-механизирован-
ный забой и безопасность ведения горных работ.
Задача выбора и обоснования технологии выемки угля и горношахтного оборудования с целью обеспечения стабильной и безопасной высокопроизводительной работы комплексно-механизированных забоев может быть решена на основе компьютерного моделирования и прогнозирования динамики состояния углепородного массива. Решение такого рода задач возможно основываясь на принципы имитационного моделирования [3], с привлечением метода конечных элементов [4].
Большинство задач геомеханики, решаемых с помощью метода конечных элементов, связаны с анизотропными средами. При расчете нагрузок, действующих на механизированную крепь, имеем сложную систему, состоящую из анизотропного углепородного массива, выработанного пространства и секции механизированной крепи. Принципиальным отличием этой системы является изменение ее геометрических и механических параметров во времени и в пространстве. В этих условиях применение метода конечных элементов и изменении параметров окружающей среды и положения механизированной крепи требует постоянного изменения формы, размеров и деформационных свойств материала конечных элементов.
Излагаемая методика отличается от имеющихся, прежде всего тем, что нагружение крепи производится не с помощью набора типовых статических или динамических воздействий, а моделированием реальной нагрузки, возникающей в процессе выемки угля механизированным комплексом, что является развитием классического метода конечных элементов.
Процесс компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния угле-породного массива в окрестности очистного забоя с учетом его циклического движения по длине выемочного столба условно распадается на ряд этапов.
На первом этапе решается упругая задача статического состояния системы «углепородный массив - механизированная крепь» и определяются напряжения в каждом конечном элементе пород и элементах крепи. По паспорту прочности проверяется состояние пород и металла в этих элементах, и запоминаются новые деформационные и механические характеристики.
На следующем этапе производится разгрузка породы от давления гидростоек, т.е. проводится второй этап расчета на ПЭВМ методом конечных элементов незакрепленной кровли с учетом предыдущего этапа и состояния пород. После этого этапа определяется состояние боковых пород и металла в конечных элементах и формируется зона разрушения пород кровли и элементов крепи.
На третьем этапе проводится нагружение породы после передвижки секции крепи. Напряженно - деформированное состояние конечных элементов, где порода находится в дискретном состоянии, рассматривается с позиции текущей среды. Если горное давление со стороны кровли превышает распор крепи или впереди крепи преобладает зона сыпучего материала, которая определяется путем сравнения по паспорту прочности в каждом конечном элементе, то впереди забоя формируется зона отжима и купол. По результатам третьего этапного расчета проводится оценка режимов нагружения, т.е. величины распора, разгрузки и определяется оптимальный режим передвижки крепи с начальным распором.
Для проведения вычислительных экспериментов разработана компьютерная модель идентификации геомеханического взаимодействия механизированной крепи с углепородным массивом, позволяющая осуществлять количественное прогнозирование напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива при циклическом воздействии на него
секций механизированной крепи. Учитывая сложный механизм взаимодействия в системе "механизированная крепь - углепородный массив" был выбран экспериментально-аналитический метод, сущность которого состоит в решении системы дифференциальных уравнений механики горных пород методом конечных элементов. Поскольку боковые породы очистного забоя испытывают знакопеременную нагрузку в результате циклического движения секции механизированной крепи, адаптация модуля решения была направлена, на использования алгоритма накопления деструктивных изменений в породах, напряжения в которых превысили порог их прочности.
Совершенно очевидно, что любая модель может только приближенно отображать свойства моделируемого объекта и протекающие в нем процессы. Для обеспечения требуемой адекватности модели и повышения точности результатов моделирования модель (алгоритм ее работы) необходимо настраивать. В данной работе для настройки алгоритма использовали результаты натурных измерений конвергенции основания и перекрытия секций механизированных крепей. Для повышения достоверности результаты натурных измерений подвергали предварительной обработке: осуществляли визуальный анализ данных, отфильтровывали выбросы, производили расчет необходимых статистик. Технология настройки алгоритма состояла в использовании итеративной процедуры корректировки параметров алгоритма на основе отклонений расчетных смещений горных пород в окрестности очистного забоя от предварительно обработанных фактических. Настройка коэффициентов этих моделей производилась с помощью компьютерной программы, реализующей поисковый численный метод, известный в литературе как метод симплексного планирования экспериментов. Тестирование программ проводилось для выемочных участков пологих пластов, отрабатываемых длинными комплексными механизированными забоями в условиях шахт южного Кузбасса.
Для реализации компьютерного моделирования процесса выемки угля в движущемся комплексно-механизированном забое был разработан метод расчета параметров нестационарного состояния углепородного массива в окрестности очистного забоя. Алгоритм методики прогноза параметров геомеханического взаимодействия механизированных крепей с углепородным массивом на базе программно-технического комплекса представлен на рисунке 1.
Прогнозирование НДС предложено осу-
ществлять с помощью пошаговой процедуры на основе имитационного моделирования процесса взаимодействия углепородного массива с угледобывающим комплексом. При реализации компьютерных экспериментов секция механизированной крепи очистного забоя перемещалась до исследуемого положения с шагом передвижки. Каждый цикл состоял из трех тактов, каждый из которых имитировал состояния, реализуемые программными средствами: секция механизированной крепи у поверхности забоя, давление в гидро-стойках крепи - рабочее, происходит снятие угольной полосы; секция механизированной крепи - на расстоянии снятой полосы, давление
в гидростойках крепи - рабочее, производится изменение длины консоли зависания пород непосредственной кровли; секция механизированной крепи - на расстоянии снятой полосы, давление в гидростойках крепи - пониженное, осуществляется передвижение секции механизированной крепи к поверхности очистного забоя.
В качестве интегрального показателя механических свойств пород принимался коэффициент крепости по Протодьяконову. Кроме него при проведении расчетов использовали модуль упругости, коэффициент Пуассона, отношение остаточной прочности к исходной.
Рисунок 1 - Методика компьютерного моделирования параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности очистного забоя на базе программно-технического
комплекса
69
Блок решения позволяет учитывать предысторию при передвижке секции механизированной крепи на основе модели изменения прочностных характеристик материала в конечных элементах, напряжения в которых превысили порог прочности их материала.
Продуктивность разработки прикладного программного обеспечения и проведения вычислительных экспериментов была достигнута использованием методологии расширяемости программ, объектно-ориентированного программирования и моделирования, а также за счет распараллеливания процессов расчета и визуализации данных.
На основе разработанной математической модели и реализации специализированного программного обеспечения с использованием метода конечных элементов был проведен ряд исследований. Известно, что интенсивность и характер проявления установленных закономерностей сильно зависят от геомеханических свойств угольного пласта и условий взаимодействия его с боковыми породами, а также от глубины разработки как фактора, влияющего на напряженно-деформированное состояние угле-породного массива.
По мере деформирования краевой части пласта и ее выдавливания в сторону выработки, происходят сдвижения слоев пласта угля по поверхностям природной трещиноватости, имеющейся в пласте [5]. Деформирование краевой части пласта вызывается также мгновенными обрушениями части боковых пород (главным образом кровли), происходящими в результате образования трещин среза при изгибе песчаников и других пород на уровне кромки пласта. Такие заколы образуются чаще всего впереди комбай-
на или врубовой машины. При этом расстояние по простиранию между заколами равно, как правило, ширине захвата машины. На рисунке 2 представлено изменение зоны разрушенных пород при движении забоя с учетом прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли при циклическом воздействии на них секций механизированной крепи и изменения параметров горного давления.
Известно, что в результате периодического взаимодействия крепи с кровлей происходит многократное знакопеременное смещение слоев кровли, что приводит к расслаиванию пород и снижению их естественной несущей способности [6]. Характер развития процесса разрушения пород кровли зависит от величины начального распора гидростоек крепи.
Существенное влияние на части пласта угля может оказать динамическое приложение нагрузки на пласт, вызываемое скольжением слоев боковых пород по контактам при их изгибе в районе очистного забоя. Увеличение величины коэффициента трения пород будет приводить к интенсивному характеру скольжения. При скольжении породных слоев основное воздействие на угольный пласт окажет мгновенное сдвижение нижнего слоя кровли в сторону выработанного пространства, которое может вызвать разрушение угля на контакте и обрушение краевой части с последующим разрушением угля в глубине массива [7]. Это подтверждают исследования, проведенные на шахте «Алардинская» из которых следует, что максимальные концентрации напряжений с учетом циклического движения очистного забоя наблюдаются в середине угольного пласта на расстоянии 3-4 метров от поверхности забоя (рис. 3).
Рисунок 2 - Результаты моделирования деструктивных изменений состояния горных пород
при движении очистного забоя
а) 2
1
5 0
—♦- Цикл1
■ Цикл2
—Л- ЦиклЗ
—х- Цикл4
Цикл5
—•- Циклб
—1— Цикл7
бсцисса, м
0 1 2 3 4 5 6
Рисунок 3 - Вертикальные смещения в угольном массиве при движении очистного забоя
Исследовано влияние горнотехнических факторов на характер распределения вертикальных и горизонтальных смещений в углепородном массиве с учетом циклического движения очистного забоя. Серия проведенных экспериментов дает основание утверждать, что смещение боковых пород над и под секцией механизированной крепи увеличивается в сторону выработанного пространства. На рисунке 4 приведены графики распределения вертикальной относительной деформации (£*103) от поверхности выработанного пространства в породах кровли и почвы. Из
них видно, что область активного влияния секции механизированной крепи на породы кровли и почвы составляет около 20 м.
Анализ полученных результатов показал, что в породах кровли на расстоянии 12 метров от верхнего перекрытия крепи зарождается процесс развития трещин и на расстоянии 3 метров происходит разрушение горной массы, которое сопровождается вывалом за механизированной крепью с образованием куполов в породах кровли. В породах почвы разрушение горной массы наблюдается на уровне одного метра под ниж-
Рисунок 4 - Графики распределения вертикальной относительной деформации (С* 103): а) - в породах кровли; б) - в породах почвы
71
ним перекрытием секции механизированной крепи (рис. 4).
Результаты компьютерного моделирования периодического воздействия секций механизированной крепи на породы кровли целесообразно размещать на электронной карте ведения горных работ, что позволяет рассматривать влияние процесса добычи угля в системе взаимодействия горных объектов с геопространственными характеристиками. Прогнозирование чрезвычайных ситуаций с использованием средств имитационного моделирования позволит своевременно принимать управленческие решения в целях обеспечения стабильной и без-
опасной высокопроизводительной работы комплексно-механизированных забоев и предотвращения аварийных ситуаций.
В заключении необходимо отметить, что технологические регламенты, и расчетные схемы безопасного ведения горных работ предполагают наличие надежных сведений о структуре и свойствах недр. Приблизительные и ошибочные представления о геологии недр ведут к инженерным просчетам, к возникновению чрезвычайных и аварийных ситуаций [2]. Исходя из этого важнейшим фактором, определяющим степень достоверности компьютерного прогноза, является степень достоверности геологических данных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Современные проблемы безопасной разработки угольных месторождений. Координационное совещание. 22-24 ноября 2005 г.; Сб. докладов. - СПб.: ВНИМИ, 2006. - 220 с.
2. Мазикин, В.П. Актуальные проблемы безопасного ведения горных работ на шахтах России в современных условиях и в перспективе развития угольной отрасли / В.П. Мазикин, Д.В. Яковлев // Современные проблемы безопасной разработки угольных месторождений. Координационное совещание. 22-24 ноября 2005 г.; Сб. докладов. - СПб.: ВНИМИ, 2006. - 220 с.
3. Шек, В.М. Использование имитационного моделирования для оптимизации проведения горных работ [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.giab-online.ru/files/Data/2005/10/7_SHek10.pdf.
4. Степанов, Ю. А. Адаптация и развитие метода конечных элементов для расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива / Ю.А. Степанов // Вестник КузГТУ. -2011. - №4. - С. 31-34.
5. Петухов, И. М. Межотраслевая координационная программа «Геодинамическая безопасность освоения недр и земной поверхности» [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.giab-online.ru/ fNes/Data/2006/4/6_Petuhov11.pdf.
6. Амбарцумян, С.А. Разномодульная теория упругости. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 320 с.
7. Вернигор, В.М. Предупреждение горных ударов и внезапных выбросов в горнодобывающей промышленности [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.mining-media.ru/ru/article/newtech/1071-preduprezhdeme-gomykh-udarov-i-vnezapnykh-vybrosov-v-gomodobyvayushchej-promyshlennosti.
COMPUTER MODELLING IN THE TASK OF SAFE MINING OPERATION PROVISION
Stepanov Y. A.
Computer modeling technique of mine rocks destruction dynamic processes in the working face vicinity, with the account of the destructive accumulations in the coal-rock massif is described. It is based on the use of power support sections different conditions and on its impact on the rock walls which allows to predict and take timely management decisions to provide safe mining operation.
Key words: COAL-ROCK MASSIF, FORECASTING, MINE FIELDS NDS EVALUATION, GEO-DYNAMICS, SAFETY
Степанов Юрий Александрович e-mail: [email protected]
