CC BY
33
Р 14
ІЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2000 >А.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000^годая
"
А.Ю. Стулишенко, Е.П. Брагин,
УЛК 622.273.26
А.Ю. Стулишенко, Е.П. Брагин
ОБОСНОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ СОХРАНЕНИЯ ВЫРАБОТОК ЗА ЛАВАМИ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ГХК «СЕЛИЛОВУГОЛЬ»
В настоящее время на шахтах Донбасса большое распространение получила сплошная система разработки угольных пластов. Анализ выработок, проводимых вслед за очистным забоем, показал, что основными способами охраны выработок такого типа являются: бутовая полоса, возводимая как скреперной установкой, так и породозакладочным комплексом, деревянные костры, полосы из железобетонных блоков (БЖБТ), полосы из твердеющего материала, а также варианты с совместным применением тех или иных перечисленных способов охраны.
Выбор способа охраны выработок на шахтах обычно базируется не на научном и техническом обосновании, а на накопленном опыте и из практических соображений, поскольку не существует единой методики определения рациональных способов и параметров охраны для тех или иных условий заложения выработки. Принятый таким образом способ охраны не всегда является оптимальным и не обеспечивает устойчивость выработки за период эксплуатации, что подтверждается результатами натурных исследований проведенных на шахтах гхк «Селидовуголь» [1].
Таким образом, вопрос о разработке методики выбора и обоснования рационального способа и параметров охраны выработок, проводимых вслед за лавой, является весьма актуальным.
Для решения данной задачи принят поэтапный порядок выбора рациональных способов и параметров сохранения выработок за лавой:
1. Анализ применяемого в шахтных условиях способа и параметров охраны;
2. Отбор характерных для исследуемых условий технических решений по охране выработок;
3. Расчет с использованием метода конечных элементов (МКЭ) напряженного состояния массива и показателей устойчивости выработки по применяемому на шахте варианту охраны. Отработка численной модели и обеспечение ее адекватности реальным объектам;
4. Численное моделирование по отобранным характерным вариантам технических решений, анализ результатов и выбор варианта охраны для
исследуемых условий, обеспечивающего наилучшие показатели устойчивости выработки (смещения, деформации, конвергенции);
5. Определение параметров охранного сооружения (размеров, прочностных и иных характеристик) для рационального варианта охраны.
Анализ вариантов охраны выработок, проводимых вслед за лавой, показал, что наиболее характерными, для условий Донбасса, являются, варианты приведенные в таблице.
Для решения задачи о НДС было принято математическое моделирование с использованием МКЭ [2], позволяющего учесть сложность условий, неоднородность массива, физикомеханические характеристики вмещающих пород и угольного пласта, особенности взаимодействия пород с искусственными сооружениями, а также применить совре-
Таблица
ВАРИАНТЫ ОХРАНЫ ВЫРАБОТОК НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА ШАХТАХ ЛОНБАССА
№ п/п Вид жесткого элемента Ширина элемента охранного сооружения, м Прочность на сжатие элемента охранного сооружения, МПа
Жесткий эл-т ** Бутовая полоса *** Жесткий эл-т Бутовая полоса
1* Деревянный костер 3 20 S 7
2 - - 20 - 7
3 Литая полоса из бетона 3 20 60 7
4 Литая полоса из бетона 3 - 60 -
5 БЖБТ 3 20 30 7
б БЖБТ 3 - 30 -
Примечание: * - базовый вариант охраны; ** - ширина жесткого элемента охранного сооружения изменяется в зависимости от шахтных условий; *** - ширина бутовой полосы изменяется в зависимости от объема породы и способа возведения полосы
менные вычислительные средства и программы. Исследования выполнялись с применением IBM-совместимого компьютера с процессором Pentium 200, пакета программ Microsoft Office 97 и программы Creep МКЭ.
Существенным достоинством данной программы является возможность решения задач механики горных пород, как в упругой постановке, так и на этапах по времени, с учетом ползучести и разрушения элементов расчетной схемы. Сущность МКЭ заключается в том, что исследуемая область разделяется на элементы простой геометрической формы. Элементы сочленяются в узлах, и в них же удовлетворяются условиям равновесия и совместности деформаций. Далее расчет ведется вариационными методами строительной механики.
Рассматриваемая в ходе исследований область была разбита на 1392 элемента треугольной формы с 750 узлами, причем наиболее густая сетка была создана вокруг выемочной выработки и охранными сооружениями.
Граничные условия в расчетной схеме задаются в виде вертикальных су и горизонтальных сх сжимающих напряжений на бесконечности
Су = уИ, Сх = АуИ,
где у - объемный вес, кН/м3; Н - глубина работ, м; А - коэффициент бокового распора.
Нижняя граница исследуемой области закрепляется.
Объектом моделирования был принят 11-й южный конвейерный штрек пласта k8 шахты
«1-3 Новогродовская» гхк «Селидовуголь». Вынимаемая мощность пласта 1,0 м. Основная кровля пласта представлена песчаником мощностью 15,0 м, непосредственная - известняком мощностью 4,0 м. В почве залегает песчаный сланец мощностью 5,5 м и далее песчаник мощностью 14,5 м. В исследуемой области имитировался пла-стовый выемочный штрек шириной 4,0 м. Высота нижней подрывки - 1 м. С левой стороны выработки располагался нетронутый массив угля, с правой - уголь был извлечен и там располагалось искусственное ограждение, состоящее из деревянного костра шириной 3 м и бутовой полосы шириной 20 м, возведенной при помощи скреперной установки. Далее имитировалась линия обрушения непосредственной кровли и выработанное пространство, заполненное обрушенными породами (разрыхленными и уплотненными). Фрагмент расчетной схемы задачи с граничными условиями приведен на рис. 1 (разбивка на конечные элементы условно не показана).
С целью обеспечения адекватности модели реальному объекту, выбор исходных данных для расчета базировался на физикомеханических характеристиках элементов расчетной схемы, полученным по геологическим данным шахты.
Элементы крепи также моделировались конечными элементами. Подбором модулей упругости этих элементов задается величина первоначального распора, соответствующая действительной характеристике крепи. Последующее
развитие сопротивления крепи во времени осуществляется в результате решения задачи. Для расчета напряженно деформированного состояния массива с учетом ползучести были определены показатели предельных состояний всех элементов массива горных пород.
Сравнение полученных при моделировании результатов с результатами натурных наблюдений показали их удовлетворительную сходимость, что также обеспечивает адекватность модели.
В результате расчетов анализировались вертикальные нормальные и касательные напряжения в элементах, вертикальные и горизонтальные смещения узловых точек, деформации пород кровли и почвы, а также предельные состояния (разрушения) по условию Кулона-Мора и максимальным растягивающим главным напряжениям. Из-за довольно большого объема полученного материала поместить его весь здесь невозможно. Поэтому ниже приводятся лишь основные моменты исследований.
На рис. 2 приводится распределение нормальных вертикальных сжимающих напряжений в кровле на контакте с пластом,
Рис. 2. Распределение нормальных сжимающих вертикальных напряжений су а шёуб у1 в кровле: 1- на контакте с пластом, выработкой и охранным сооружением, а также на расстоянии от пласта, м:
2-1; 3-2; 4-4; 5-10
Рис. 1. - Безмасштабная расчетная схема задачи:
1 - пустота; 2 - песчаник; 3 - песчаный сланец; 4 - известняк; 5 -песчаник; 6 - угольный пласт; 7 -обрушенные породы кровли; 8 -уплотненные породы; 9 - металлическая стойка; 10 - металлический верхняк; 11 - костер; 12 - бутовая полоса
выработкой и охранным сооружением, а также на расстоянии
1, 2, 4 и 10 м от пласта.
Из рисунка видно, что характер распределения вертикальных сжимающих напряжений совпадает с существующим представлением о нем. Кривая распределения напряжений над выработкой и на контакте с пластом показывает, что максимальные напряжения приходятся на места контакта выработки с пластом и охранным сооружением, т.е. в зонах опорного давления и составляют соответственно 1,43 и 1,35уН. Над выработкой напряжения резко уменьшаются и достигают значения -
0,01уН, т.е. перерастают из сжимающих в растягивающие образуя зону растягивающих деформаций. Анализируя напряжения над охранным сооружением можно сказать, что максимум их приходится на жесткий элемент, т.е. он является концентратором напряжений. С удалением от контура выработки напряжения снижаются до 1,1уН, а затем, при приближении к зоне обрушенных пород, снова увеличиваются до 1,5уН, что можно объяснить увеличением плотности обрушенных пород в выработанном пространстве. На расстоянии 10 м от пласта влияние выработки практически отсутствует, и напряжения
приближаются к величине уН.
Расчеты с учетом фактора времени (рис. 3) показывают, что величина напряжений изменяется во времени. Над угольным пластом со временем наблюдается снижение напряжений с 1,4уН до 0,9уН через 20 суток, что объясняется, видимо, раздавливанием краевой зоны пласта, т.е. снижением его несущей способности. На контакте выработки с охранным сооружением, наоборот, наблюдается рост вертикальной составляющей напряжения с 1,35 до 1,9уН в связи с уплотнением и увеличением несущей способности жесткого элемента охранного сооружения. При удалении от контура выработки в сторону зоны обрушенных пород величина со временем увеличивается в 7 раз по сравнению с начальной. Над выработкой изменение напряжений не существенно.
Напряжения в массиве пород формируют такие показатели НДС массива и поддерживаемой выработки как смещения и деформации. Анализ вертикальных смещений пород кровли в упругой постановке показывает, что минимальные смещения происходят на контакте угольного пласта и пород кровли. Над выработкой смещения увеличиваются на 45 %. В районе жесткого элемента охранного сооружения наблюдается
незначительное снижение величины смещений, а затем при удалении от него, над элементом с меньшей жесткостью, снова увеличение.
Относительно смещений пород почвы можно сказать что, они существенно увеличиваются на контакте выработки с пластом и охранным сооружением и составляют 75 % и 90 % соответственно, т.е. имеет место смещение почвы выработки относительно пласта и охранного сооружения.
Из анализа конвергенции пород видно что, смещения пород почвы в большей степени, чем
кровли влияют на величину сближения пород. Под влиянием сжимающих вертикальных напряжений происходит сдавливание пласта и охранного сооружения. Максимальное сближение пород происходит в центре выработки. Здесь наблюдается его 5-ти кратное увеличение относительно конвергенции пласта.
Со временем НДС массива и показатели устойчивости выработки существенно изменяются. При определении характера изменения величины сближения пород кровли и почвы в зависимости от времени (рис. 4) было установлено что, уже через 10 суток после проведения выработки конвергенция пород увеличивается в 3 раза, а через 20 суток в 7 раз.
Особый интерес с точки зрения устойчивости выработок вызывает распределение зон растягивающих деформаций в кровле и почве. Под воздействием напряжений в кровле и почве выработки образуются зоны деформаций растяжения, которые при достижении предельных величин вызывают расслоение пород. Со временем величины этих деформаций и размеры зон растяжения увеличиваются. Из рис. 5 видно что, если на начальном этапе существования выработки зона растягивающих деформаций в кровле ограничивается деформациями 0,01-0,05 %, то через 20 суток уже 0,65-0,8 %, т.е. приближается к величинам предельных деформаций, что может привести со временем к обрушению пород кровли.
Величина деформаций растяжения по ширине выработки распределяется не равномерно, достигая наибольших своих значений со стороны угольного целика. Со стороны охранного сооружения деформации имеют меньшее значение. Такой характер распределения деформаций объясняется, очевидно, перераспределением со временем вертикальных сжимающих напряжений в кровле выработки.
X
£у, %
Рис. 3. Распределение нормальных сжимающих вертикальных напряжений су а аїеуб уі в кровле: 1 - в упругой постановке, а также на этапах по времени, сутки: 2 - 10; 3 - 20
Характер деформирования почвы выработки (рис. 6) аналогичен, однако, характерным является более интенсивный рост деформаций в особенности со стороны охранного сооружения. Для условий задачи уже через 20 суток деформации пород почвы превышают предельно-допустимую величину. За счет пучения почвы происходит ее разрушение.
Таким образом, проведенный анализ НДС массива и показателей устойчивости выработки показывает что, принятые на шахте способ и параметры охраны не обеспечивают удовлетворительного состояния выработки. Для выбора и обоснования рациональных способов охраны далее рассматривались варианты охраны из числа характерных для условий Донбасса (табл.).
Рис. 4. Изменение величины конвергенции пород в зависимости от времени существования сечения, суток: 1 - 0; 2 - 10; 3 -20
По каждому из вариантов были разработаны расчетные схемы и выполнены расчеты показателей НДС массива и устойчивости выработки в упругой постановке.
Анализ вертикальных смещений кровли по вариантам показывает, что наибольшие значения отмечаются при использовании в качестве охранного сооружения одного жесткого элемента в виде БЖБТ шириной 3 м. При отсутствии жесткого элемента, т.е. при охране бутовой полосой 20 м, смещения пород кровли уменьшаются на 12 %, а при охране литой полосой 3 м в сочетании с бутовой полосой 20 м имеют наименьшее значение. По другим вариантам смещения имеют промежуточные значения. Для рассматриваемых вариантов характерным является увеличение вертикальных смещений пород почвы под охранным сооружением с увеличением
прочности последнего, что можно объяснить вдавливанием.
Анализ конвергенции пород кровли и почвы (рис. 7) показывает, что из сравниваемых вариантов наилучшие показатели устойчивости выработки отмечаются при охране литой полосой в комплексе с бутовой полосой. Наиболее неблагоприятные условия создаются при охране выработки только бутовой полосой. Применение наиболее благоприятного варианта охраны позволяет уменьшить конвергенцию пород в пределах выработки на 30 % по сравнению с охраной бутовой по-
Рис. 5. Изменение зон растягивающих вертикальных деформаций в кровле выработки еу, % в зависимости от времени существования выработки, сутки: 1-0; 2-10; 3-20; В - ширина выработки
лосой. Со временем это отличие существенно
увеличивается.
Таким образом, из рассмотренных вариантов наиболее рациональным следует считать вариант охраны выработки литой полосой 3 м в сочетании с бутовой полосой 20 м, обеспечивающий наилучшие показатели устойчивости выработки сохраняемой за лавой.
Для определения рациональных параметров выбранного варианта охраны выработки были выполнены расчеты НДС массива и устойчивости выработки при разной ширине жесткого элемента охранного сооружения (0.5, 1, 2, 3, 5 и 10 м) и разной жесткости (8, 30, 35 и 60 МПа). На рис. 8 приводятся графики изменения величины
сближения пород почвы и кровли выработки во времени при разной ширине жесткого элемента. Из рисунка видно, что увеличение ширины с 0,5 до 10 м приводит к уменьшению конвергенции пород через 20 суток на 17 %. Со временем эта разность увеличивается.
Увеличение жесткости охранного сооружения оказывает существенное влияние на устойчивость выработки. Увеличение прочности жесткого элемента с 8 МПа (деревянный костер) до 30 МПа (БЖБТ) приводит к снижению конвергенции пород в выработке на 15 %. Увеличение жесткости до 60 МПа (литая бетонная полоса) приводит к уменьшению конвергенции еще на 4 %.
Кроме параметров устойчивости выработки, при выборе варианта для практического применения, следует учитывать трудоемкость работ и экономические показатели реализации способа охраны.
РРйс.6. Изманшненида релииш-ы вгйещизрйййтивкальныдхприфшвмине цжестк0очве элшешк^охранното зайщсиме10яо;мвре-м5;ни2су1!;е?--2; во4в-ан3и; я5 -в ы5;р6аб-о1т0ки, сутки: 1 - 0;
2 - 10;’ 3 - 20; В - ширина выработки
Рис. 7. Величина конвергенции пород при охране: 1 - бутовой полосой 20 м; 2 - литой полосой 3 м; 3 - БЖБТ 3 м; 4 - деревянными кострами 3 м и бутовой полосой 20 м; 5 - БЖБТ 3 м и бутовой полосой 20 м, 6 - литой полосой 3 м и бутовой полосой 20 м
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет сформулировать основные выводы:
1. Применение численного моделирования с использованием МКЭ позволяет обеспечивать обоснованный выбор рационального способа и параметров сохранения выработок, проводимых вслед за лавой.
2. Выполненные расчеты показывают, что вертикальные сжимающие напряжения в кровле имеют максимальные значения над угольным целиком (1,43уН) и охранным сооружениям (1,35уН), т.е. в зонах опорного давления. Над выработкой сжимающие напряжения перерастают в
растягивающие. Это подтверждает существующее представление о
НДС массива.
3. Со временем напряжения в породах кровли над целиком уменьшаются, вследствие его раздавливания, а над охранным сооружением увеличиваются из-за увеличения его жесткости.
4. Показатели устойчивости выработки также изменяются со временем. В кровле и почве выработки возникают и увеличиваются со временем зоны растягивающих деформаций, приводящие к расслоению и разрушению пород. Уже через 20 суток, для условий задачи, величины деформаций близки к предельным значениям.
5. На показатели устойчивости выработки проводимой вслед за лавой существенное влияние оказывают вид и параметры охранного сооружения, а также время сохранения выработки.
6. Эффективное поддержание выработки, проводимой вслед за лавой, может быть обеспечено только при совместном применении жесткого элемента с бутовой полосой. Для конкретных
условий, из рассмотренных вариантов, по фактору устойчивости выработки наиболее рациональным следует считать вариант с охраной литой полосой из бетона шириной не менее 1 м в сочетании с бутовой полосой 20 м.
7. Устойчивое состояние выработки в данных условиях может быть обеспечено шириной жесткого элемента не менее 1 м и жесткостью не менее 30 МПа. Дальнейшее увеличение ширины приводит к повышению устойчивости, однако, может оказаться экономически не целесообразно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гавриш Н.Н., Стулишенко А.Ю. Анализ существующих методик прогноза устойчивости выработок проводимых вслед за лавой// Известия Донецкого горного института. - 1999. - №1. - С. 7680.
2. Брагин Е.П. и др. Методика расчета зон предельнонапряженного состояния массива горных пород вокруг очистного забоя и уточнения силовых параметров механизированных крепей для конкретных горно-
геологических условий методом конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. - Караганда: КНИУИ, 1987.-53 с.
Ш
Стулишенко А.Ю. - инженер. Донецкий государственный технологический университет
Брагин Е.П. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
СТУЛИШЕН
в:\С диска по работе в универе\01ЛВ_20\01ЛВ12_0\МЛСБТ С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т Обоснование с использованием численного моделирования рациональных
способов сохранения выработок за лавами в условиях шахт п/о «Селидовуголь» Содержание:
Автор: 123
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов:
знаков:
27.11.2000 19:23:00 16
10.12.2008 23:34:00 Таня
88 мин.
11.12.2008 0:08:00
7
2 835 (прибл.)
16 164 (прибл.)
