Настройка параметров расчетной модели количественного прогнозирования геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве по результатам шахтных исследований Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.Д. Павлова, 2004

УДК 622.831.232 Л.Д. Павлова

НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРУШАЕМОМ УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ШАХТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Семинар № 16

Ж нализ результатов шахтных исследо-УТ. ваний геомеханических про-цессов при интенсивной отработке выемочных участков угольных шахт. Для установления количественных зависимостей проявлений горного давления специалистами шахты «Аба-шевская» были проведены экспериментальные исследования деформаций горных выработок, прилегающих к очистному забою [1]. Наблюдения осуществлялись в конвейерном штреке 26-30 пласта 26а шахты «Абашевская» (рис. 1). Согласно паспорту выемочного участка конвейерный штрек 26-30 пройден шириной 4,7м и высотой -2,9 м. Штрек был закреплен металлической рамной крепью. Вентиляционный штрек 26-30 пройден на расстоянии 20 м от конвейерного штрека верхнего выемочного участка 26-30.

В конвейерном штреке 26-30 было оборудовано девять наблюдательных станций. На каждой станции закладывались две пары контурных реперов: одна - в кровле и почве, другая в боках штрека. Схемы рас-положения наблюдательных станций приведены на рис. 1.

Согласно программе исследований с помощью рулетки ВНИМИ два раза в неделю про-

ной части штрека за очистным забоем измерялась ширина и высота выработки, так как контурные репера сохранить не удалось. Наблюдения продолжались в течение восьми месяцев. Всего было выполнено 112 серий измерений.

Результаты измерений и положение наблюдательных станций относительно монтажной камеры приведены в табл. 1.

На рис. 2 приведены графики конвергенции кровли и почвы для всех наблюдательных станций из рисунков следует, что каждый график можно рассматривать как реализацию случайного процесса согласно исследованиям И.Л. Черняка [2] разброс графиков явился следствием сложного последовательно-цик-лического процесса зависания и обрушения пород кровли и неравномерного движения очистного забоя.

В случае зависания пород основной кровли или налегающей толщи с максимальной консолью конвергенция кровли и почвы была в 4-5 раз выше по сравнению с конвергенцией кровли и почвы участка штрека, в пределах которого длина консоли зависающих пород была меньше шага обрушения пород кровли. Увеличение вертикальной конвергенции на пласте 26а объясняется тем, что из-за высокого горного давления происходило пучение пород почвы до 300-1000 мм. Это приводило не только к ухудшению состояния выработки, но и уменьшению ее попе-

Рис. 1. Схема расположения наблюдательных станций ММ 1-9 речного сечения в 1,5-2,0 раза за счет пучения пород почвы,

'/УУ/~У//'Конвейерный штрек 26-28,//У. Вентиляционный штрек Х^б-ЗО КМЗ

Лава 26-30

Конвейерный штрек 26-30' III III

=Н

№1 №2 №3 №4 №5 №6

№7 №8 №9

водились измерения конвергенции кровли и почвы, а также боков выработки. В сохранен-

Таблица 1

Результаты измерении конвергенции контура выработки на наблюдательных станциях №№ 1-9

Номер станции Расстояние от монтажной камеры, м Максимальная конвергенция, мм Конвергенция на линии забоя, мм

кровля-почва бок-бок кровля-почва бок-бок

1 200 950 600 80 120

2 250 600 500 300 80

3 300 620 950 60 310

4 370 840 1520 - 240

5 420 550 1100 - 110

6 460 1100 1100 55 210

7 540 400 750 45 305

8 610 500 830 50 -

9 660 350 1100 - -

прогибов верхняков и отжима угля с боков выработки.

По результатам проведенных исследований также установлено, что в кровле формируются породные консоли над выработанным пространством, которые последовательно обру-шаются с шагом 40-160 м. Циклический характер обрушения пород кровли подтверждает соответствие объекта исследований, изучаемого в настоящей работе, геомеханическим процессам обрушения подработанных породных массивов.

Результаты численного моделирования геомеханических процессов при интенсивной отработке выемочного участка 2630 шахты «Абашевская». Для оценки адекватности расчетной модели количественного прогнозирования геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве

Рис. 2. Графики конвергенции кровли и почвы конвейерного штрека 26-30: 1, 2, 3, ... - номера наблюдательных станций; Ф, © - расчетные смещения для станции № 1, № 3

1200

2

а

§1000

0

| 800 5

&600

§

я

1 400

а.

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

Расстояние до забоя, м

были вычислены сдвижения пород кровли и почвы пласта 26а Расчетная схема углепородного пласта для определения параметров НДС массива горных пород методом конечных элементов представлена на рисунке 3. В результате численного моделирования получены величины линейных и нелинейных смещений пород кровли и почвы, а также конвергенция кровля-почва по линии забоя.

Линейное решение выполнено на основе МКЭ, адаптированного для расчета пространственного НДС углепородного массива в зоне влияния горной выработки сложной геометрической формы [3].

Для получения нелинейного решения выполнялся анализ напряжений, вычисленных по линейным смещениям, и, в зависимости от степени влияния выработки уступной формы, изменялись свойства угля и пород в конечных элементах с учетом функции времени. Затем на основе обобщенного критерия прочности Кулона-Мора определялась зона обрушения пород кровли, что также приводило к изменению свойств конечных элементов, расположенных в зоне нарушенных пород.

По результатам моделирования были построены графики расчетной конвергенции кровля-почва конвейерного штрека 26-30 для шести наблюдательных станций (рисунок 4).

Полученные графики позволяют оценить характер изменения смещений, конвергенцию пород кровли и почвы, а также сравнить расчетные и фактические смещения в конвейерном штреке 26-30. Результаты расчетных значений конвергенции почва-кровля для наблюдательных станций № 1 и № 3 нанесены на рис. 2.

Рис. 3. Расчетная схема для базового варианта объекта исследований

Рис. 4. Графики расчетной конвергенции кровли и почвы конвейерного штрека 26-30 для наблюдательных станций ММ 1-6

Таблица 2

Коэффициент пересчета конвергенции почва-кровля для станции М 1

Расстояние от забоя, м Измеренная конвергенция и„нвфакт, мм Расчетная конвергенция, итнГч, мм Коэффициент пересчета Кп

20 600 258,90 0,57

10 180 228,91 -0,27

0 80 187,36 -1,34

-10 50 168,35 -2,37

В этой связи для настройки математической модели расчетные значения смещений пород почвы увеличивались пропорционально коэффициенту пересчета

иФа,

Кп =-

_ ттрасч коне

(1)

Таблица 3

Коэффициент пересчета конвергенции почва-кровля для станции М3

Расстояние от забоя, м Измеренная конвергенция и„нвфакт, мм Расчетная конвергенция, и^Г™, мм Коэффициент пересчета Кп

20 410 391,37 0,05

10 250 349,51 -0,40

0 200 297,46 -0,49

-10 100 269,96 -1,70

Сопоставление измеренных и вычисленных значений позволяет сделать вывод о том, что качественно характер изменения расчетных и фактических смещений пород кровли совпадает (рис. 2,

4).

Количественно расхождение измеренных и вычисленных значений связано с тем, что в расчетной модели не учтено влияние крепи усиления на сопряжении очистного забоя и конвейерного штрека. Кроме того, в процессе шахтных измерений установлено, что стойки конвейерного штрека 26-30 вдавливались в увлажненную почву до 1200 мм, а верхняки прогибались до 150 мм. Величина этого вдавливания в математической модели также не учитывалась.

т т факт коне

гДе - измеренная

конвергенция кровли и почвы конвейерного

штрека; иЦ2 - расчетная конвергенция кровли и почвы конвейерного

штрека.

Результаты пересчета по формуле 1 для замерных станций № 1 и № 3 приведены в табл. 2-3. Тогда величины смещений пород почвы и кровли, вычисленные МКЭ, можно скорректировать с учетом имеющихся фактических данных, используя коэффициент пересчета, следующим образом

и расч. кор коне

иг / (1 - Кп) (2)

Таким образом, сравнивая результаты шахтных измерений с результатами численного решения можно сделать вывод о том, что параметры геомеханической модели настроены с помощью коэффициента пересчета корректно, так как достигнута адекватность смещений измеренных глубинными реперами и расчетных смещений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лаврик В.Г. Взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке пологих газоносных пластов / В.Г. Лаврик, С.Р. Ногих, М.И. Радиковский. - Новокузнецк: АОУК “Кузнецк-уголь”, препринт № 57, 1988. - 13 с.

2. Черняк И.Л. Управление состоянием массива горных пород / И.Л. Черняк, С.А. Ярунин. - М.: Недра, 1995. - 395 с.

3. Павлова Л. Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2003. - № 1. - С. 59 - 63.

Коротко об авторах _________________________________________

Павлова Л.Д. - кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.

---------------------------------- © В.Г. Нечепаев, А.К. Семенченко,

2004

УДК 622.232.72

В.Г. Нечепаев, А.К. Семенченко

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ШНЕКОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ

Семинар № 16

Эффективная и рентабельная отработка тонких и весьма тонких угольных пластов определяет насущную потребность повышения технического уровня очистных комбайнов, предназначенных для работы в этих условиях, при минимальных затратах на модернизацию машин. Однако, созданию высокопроизводительных комбайнов со шнековыми исполнительными органами, получившими преимущественное распространение, препятствует недостаточная их погрузочная способность. В то время как потребный уровень погрузочной способности постоянно возрастает в связи с ростом энерговооруженности и скорости пере-

мещения комбайнов, известные пути и методы ее повышения практически исчерпали себя.

Для решения этой актуальной проблемы разработана концепция активной выгрузки, предусматривающая активацию рабочего процесса путем оказания дополнительного силового воздействия на перемещаемый шнеком уголь [1]. Созданы способы и средства реализации концепции, разработаны технические решения применительно к существующим и проектируемым отечественным и зарубежным очистным комбайнам. Установлено, что наиболее эффективными в современных условиях являются механо-гидродинамические системы активной выгрузки, в которых силовое активи-