Настройка пространственной расчетной модели геомеханических параметров в разрушаемом углепородном массиве по результатам шахтных исследований Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

6

А.В. Бирюков

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы // Докл. АН СССР. 1979. - Т. 247, № 4.

- С. 829-831.

2. Садовский М.А. О распределении твердых отдельностей // Докл. АН СССР. 1983. - Т. 269, № 1. -С. 69-72.

3. Садовский М.А. Иерархия структур от пылинок до планет // Земля и Вселенная. 1984, № 6. - С. 59.

4. Шемякин Е.И. О свободном разрушении твердых тел // Докл. АН СССР. 1988. - Т. 300, № 5. - С. 1090-1094

5. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // Докл. АН СССР. 1981. - Т. 259, № 6. - С. 1350-1353.

6. Демидюк Г.П. Взрывные работы // Теория и практика открытых разработок. - М. : Недра. - 1979. -С. 397-431.

7. Бирюков А.В., Ташкинов А. С. Статистические модели в процессах горного производства. - Кемерово: Межвузиздат. — 1996. - 225 с.

8. Сантало Л. Интегральная геометрия и геометрические вероятности. - М. : Наука. - 1983. - 358 с.

□ Автор статьи:

Бирюков Альберт Васидьевич

- докт. техн. наук, проф., зав.каф.

высшей математики

УДК 622.831.232

Л.Д.Павлова

НАСТРОЙКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В РАЗРУШАЕМОМ УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ШАХТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ угольных месторождений Кузбасса показал, что разнообразие типов геологических структур, их форм и размеров генетически связано с общим геотектоническим процессом формирования синкли-нария Кузнецкого угольного бассейна [1]. Соответственно

прослеживаются общие закономерности формирования многих месторождений брахисинкли-нального или моноклинального типов в геологической структуре этого бассейна. В этой связи представляется возможным использовать закономерности формирования НДС, установ-

ленные на отрабатываемых месторождениях угля, для прогноза геомеханической ситуации на перспективных месторождениях Кузбасса, в том числе восточной его части. В данной работе в качестве базового объекта исследований принято Байдаев-ское месторождение Кузбасса,

й

а

<Ц

1

и

3

сЗ

Н

Я

о

ж

Вентиляционный штрек 26-30

Лава 26-30

Конвейерный штрек 26-30

І І I

=1=

I І I

№1 №2 №3 №4 №5 №6

№7 №8 №9

Рис. 1. Схема расположения наблюдательных станций №№ 1-9

Таблица 1

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

Номер стан- ции 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 - -

которое разрабатывается с 1934г. по настоящее время. В процессе отработки угольных пластов многими научными организациями проведены комплексные шахтные исследования в широком диапазоне горно-геологических условий, накоплен и обобщен большой объем результатов шахтных измерений сдвижений и деформаций углепородного массива.

В настоящее время верхние горизонты месторождения отработаны открытым и подземным способами. Подземные

горные работы ведутся на глубине более 500м в мульдовой части брахисинклинальной складки шахтами «Юбилейная» и «Абашевская». Наибольший объем исследований в условиях этих шахт проведен на пласте 26а.

Анализ результатов

шахтных исследований гео-механических процессов при интенсивной отработке выемочных участков угольных шахт. Для установления количественных зависимостей проявлений горного давления спе-

циалистами шахты «Абашев-ская» были проведены экспериментальные исследования деформаций горных выработок, прилегающих к очистному забою [2]. Наблюдения осуществлялись в конвейерном штреке 26-30 пласта 26а шахты «Абашевская» (рис.1). Согласно паспорту выемочного участка, конвейерный штрек 26-30 пройден шириной 4,7 и высотой - 2,9м. Штрек был закреплен металлической рамной крепью. Вентиляционный штрек 26-30 пройден на расстоянии 20м от кон-

Рис. 2. Графики конвергенции кровли и почвы конвейерного штрека 26-30:

1, 2, 3, ... - номера наблюдательных станций;®, ® - расчетные смещения для станции №1, №3

600

500

400

300

200

100

У, м

2. і! 0 т р а ( отан г>

гз ЧХ. а <

І о £ і і |и Вемтнл [ЦИОННЬ й штрек

і і “

і Iі* II КМЗ Конвей« рный ш грек

| !;з і>

і і і р ¿1. X. м

О 100 200 300

Х=301.25

400 500 600 700 800 900 1000

Рис. 3. Расчетная схема для базового варианта объекта исследований

вейерного штрека верхнего выемочного участка 26-30.

В конвейерном штреке 2630 было оборудовано девять наблюдательных станций. На каждой станции закладывались две пары контурных реперов: одна - в кровле и почве, другая в боках штрека. Схемы расположения наблюдательных станций приведены на рис. 1.

Согласно программе исследований с помощью рулетки вними два раза в неделю проводились измерения конвергенции кровли и почвы, а также боков выработки. В сохраненной части штрека за очистным забоем измерялась ширина и высота выработки, так как контурные репера сохранить не удалось. Наблюдения продолжались в течение 8 месяцев. 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 поч-

вы для всех наблюдательных станций. Из рисунков следует, что каждый график можно рассматривать как реализацию случайного процесса. Согласно исследованиям И.Л. Черняка [3], разброс графиков явился следствием сложного последо-

вательно-циклического 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

—■—№1 —•— №2 -а- №3 -в- .№4—0— №5 -а- №6

Расстояние от забоя, м

Рис. 4. Графики расчетной конвергенции кровли и почвы конвейерного штрека 26-30 для наблюдательных станций №№1-6

Таблица 2

Коэффициент пересчета конвергенции «почва-кровля» для станции №1

Расстояние от забоя, м Измеренная конвергенция ТТ/аС , мм ^ СОПУ Расчетная конвергенция, т тса1с , '-у СОПУ 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

Таблица 3

Коэффициент пересчета конвергенции «почва-кровля» для станции №3

Расстояние от забоя, м Измеренная конвергенция тт/аС , мм ^ СОПУ Расчетная конвергенция, т тса1с , мм ^ СОПУ 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

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 поперечного сечения в 1,5-2,0 раза за счет пучения пород почвы, 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 об-рушаются 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 геомеханиче-ских процессов при интенсивной отработке выемочного участка 26-30 шахты «Аба-шевская». Для оценки адекватности пространственной расчетной модели геомеханических параметров в разрушаемом углепородном массиве 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 рис. 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 [4].

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 построены графики расчетной конвергенции кровля-почва конвейерного штрека 2630 для 6 наблюдательных станций (рис. 4), которые графики позволяют оценить характер изменения смещений, конвергенцию пород кровли и почвы, а также сравнить расчетные и фактические смещения в конвейерном штреке 26-30. Резуль-

таты расчетных конвергенций почва-кровля для наблюдательных станций № 1 и 3 нанесены на рис. 2. Сопоставление измеренных и вычисленных значений позволяет сделать вывод о том, что качественно характер изменения расчетных и фактических смещений пород кровли и почвы совпадает.

Количественно расхождение измеренных и вычисленных значений конвергенций почва-кровля 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.

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

кп =

U fact _ vcalc ^ conv u conv

TT fact

conv

где Ufa?! -

conv

измеренная кон-

вергенция кровли и почвы конвейерного штрека;

и тса1с _ расчетная конвер-

и СОНУ

генция кровли и почвы конвейерного штрека.

Значения коэффициента 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 кп

calc

corr

U

U

_ k n )

Так, сравнивая результаты шахтных измерений с результатами численного решения, можно сделать вывод о том, что параметры пространственной расчетной геомеханической модели с помощью коэффициента пересчета настроены корректно, так как достигнута адекватность смещений, измеренных глубинными реперами и полученных расчетных смещений в пределах погрешности шахтных измерений.

Разработанная расчетная геомеханическая модель используется автором для исследования влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов на пространственное распределение параметров напряженно-

деформированного состояния углепородного массива при имитации движения очистных комплексно-механизированных забоев и формировании в выемочном поле выработанного пространства сложной геометрической формы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

conv

1. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник / Г.Г.

Штумпф, Ю.А. Рыжков, В.А. Шаламанов, А.И. Петров. - М.: Недра, 1994. - 447 с.

2. 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 “Кузнецкуголь”, препринт № 57, 1988. - 13 с.

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

4. 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.

□ Автор статьи:

Павлова Лариса Дмитриевна

- канд. техн.наук, доц. каф. прикладной информатики ( Сибирский государственный индустриальный университет)

УДК 622.831

В.А. Гоголин, Т.И. Кургузкина

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАЗВИТИИ ГОРНЫХ РАБОТ И НЕПОЛНОЙ ПОДРАБОТКЕ

ПОВЕРХНОСТИ

Рассмотрим процесс формирования опорного давления при развитии горных работ и неполной подработке поверхности.

Решаем плоскую задачу о распределении напряжений вокруг изолированной очистной выработки длиной 2хо. Выработка проведена горизонтально на глубине Н в пласте мощностью 2Н. Напряженное состояние в пласте симметрично относительно середины длины выработки. Подработ-

ка поверхности неполная, т.е. | хо | < £. Схему к расчету области опорного давления см. на рис. 1.

Закон нарастания нагрузки в зоне опорного давления от оо до отах согласно работе [7] считаем прямолинейным. Тогда в выбранной системе координат при 0 < х <а:

L = -у-Н + о + к х, где о -- опорное давление, у - насыпной вес, Н

- глубина разработки, оо - напряжение на краю