CC BY
11
© A.A. Насонов, 2013
УДК 622.268.2:624.151.53 А.А. Насонов
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД БЕРМОВОЙ ЧАСТИ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК
Рассмотрены способы поддержания повторно используемых выработок. Разработана численная математическая модель участка выработки с охранными конструкциями в виде породных блоков. Установлена зависимость интенсивности напряжений в породах бермы выработки от физико-механических свойств породных блоков. Ключевые слова: месторождение, бесцеликовая выемка, внутришахтный транспорт.
Лобыча угля на многих месторождениях полезных ископае-мык осуществляется с тонких пластов, залегающих в массивах прочных пород. Как показывает практика, наиболее эффективным технологическим решением являются бесцеликовые способы охраны, предусматривающие проведение выработки в нетронутом массиве с последующим её поддержанием на границе выработанного пространства для повторного использования.
Применение этой технологии позволяет практически вдвое снизить объём проведения подготовительных выработок, повысить концентрацию горных работ и уровень нагрузок на очистные забои, обеспечить эффективное проветривание лав за счёт использования прямоточных схем вентиляции, в том числе с подсвежением исходящей струи, упростить цепочку транспортирования угля и материалов.
Поддержание устойчивости выработок осуществляется с помощью различных охранных конструкций.
Важными характеристиками искусственного ограждения являются его деформационно-силовая диаграмма, податливость, несущая способность, устойчивость к боковым силам и под-
вижкам кровли в плоскости наслоения пород, площадь опорной поверхности и равномерность распределения нагрузки на основание.
Применяемые в настоящее время при бесцеликовой выемке тонких пластов с труднообрушающимися кровлями охранные конструкции обладают удельной несущей способностью в пределах 5—20 МПа, что недостаточно для обеспечения эксплуатационного состояния сохраняемых для повторного использования штреков (ходков).
Низкая удельная несущая способность известных охранных конструкций вызывает необходимость увеличения их ширины, что приводит к чрезмерному расходу материалов и элементов искусственных ограждений (деревянных стоек, бутового камня, блоков, строительных смесей и др.) и, как следствие, к снижению темпов и повышению трудоёмкости концевых работ, перегруженности внутришахтного транспорта, загромождению выработок.
Поэтому разработка оборудования и технологии механизированного изготовления и установки на берме выработок охранных конструкций высокой удельной несущей способности является актуальной отраслевой задачей.
Одним из перспективных направлений совершенствования поддержания повторно используемых выработок является применение в качестве охранных конструкций крупногабаритных породных блоков, выпиливаемых или отбиваемых буровзрывным способом из кровли пласта и устанавливаемых на берме сохраняемого штрека (ходка).
Удельная несущая способность предлагаемых охранных конструкций может достигать 80—120 МПа, что многократно превышает данный показатель других известных искусственных ограждений.
Практический опыт применения охранных конструкций показывает, что одним из проблемных аспектов является их взаимодействие с бермо-вой частью выработки, которая может скалываться и разрушаться на большом протяжении штрека даже при высокой прочности боковых пород. В связи с этим представляет научный и практический интерес исследование влияния физико-механических характеристик охранных конструкций на устойчивость пород бермовой части повторно используемых выработок.
Рассмотрим стандартную выработку прямоугольного сечения площадью 15 м2, пройденная в песчаниках и по пласту угля мощностью 1 м.
К одной из боковых стенок выработки примыкает отработанное пространство лавы, образовывая породную берму высотой 2,0 м.
На берму устанавливаются в шахматном порядке по сетке 1,0х1,0 м породные блоки объемом 0,5 м3.
Исследование взаимодействия представленной геотехнической системы является сложной задачей механики подземных сооружений, требующей учета большого комплекса факторов. Наиболее адекватным в этих условиях является применение метода конеч-
ных элементов, широко применяющегося для решения подобных задач.
Автором была разработана объемная численная модель участка, имеющаяся кубическую форму с размером грани 50 м.
Задача решалась в упругой постановке в дополнительных напряжениях, по боковым и нижней внешним сторонам модели задавались ограничения смещений по нормали к граням.
В результате расчета, выполненного с помощью программного комплекса «Лира — 9,0» определись все компоненты объемного тензора напряжений и деформаций в конечных элементах и узлах модели. Далее определялись эквивалентные напряжения в соответствии с критерием прочности Кулона-Мора и параметр Лоде-Надаи, характеризующий вид объемного напряженного состояния.
Анализ результатов расчета показал следующее.
В породах бермы штрека возникают значительные радиальные деформации и растягивающие напряжения, превышающие соответствующие величины в породах противоположного бока выработки в 3—3,5 раза.
Породы бермы штрека находятся в состоянии объемного растяжения, при этом интенсивность эквивалентных растягивающих напряжений уменьшается от контура вглубь пород бермы (рис. 1).
Установленные в шахматном порядке блоки оказывают значительное влияние на подстилающий породный слой бермы штрека, создавая периодическую неоднородность напряжений вдоль оси выработки и локальные концентрации напряжений. Для количественной оценки этого влияния введен параметр аотн, определяемый как отношение максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы, контактирующих с блоками к соот-
отн 1
I 1 1 I 1 1 1 1
а 0 1 0,2 03 0.4 0,5 0.6 0,7 0.3 0.9 1
Рис. 1. Динамика изменения относительной интенсивности максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы при увеличении отношения Обл/О0
ветствующим напряжениям в породах бермы без охранных конструкций. Определение параметра аотн производилась при различных физико-механических характеристиках породных блоков.
На рис. 1 представлен график зависимости относительных напряжений от отношения Сбп/С0, где Сбп -модуль сдвига пород охранного блока, С0 -модуль сдвига пород бермы.
Полученная зависимость имеет параболический характер и описывается уравнением вида:
а =-0,711
V
-'бп
0 У
+1,598-^ + 0,955.
С0 '
(1)
Количественный анализ показывает, что максимальный коэффициент концентраций напряжений может достигать значений 1,7—1,9. Эти цифры позволяют сделать вывод о необходимости при применении блоков с высокой несущей способностью и жесткостью
1. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт
разработки дополнительных мер по охране пород бермы выработки.
Анализ напряженно-деформированного состояния пород бермы говорит о том, что механизм управляющих воздействий должен быть направлен на увеличение сопротивляемости пород растягивающим напряжениям, включение дополнительных конструктивных элементов, предотвращающих трещинообразование и скол пород бермы, а также более обоснованный выбор схемы установки блоков по площади бермы.
Следует также отметить, что зависимость (1) получена при рассмотрении однородных пород. В реальных условиях на распределение напряжений большое влияние будет оказывать естественная и техногенная трещино-ватость массива.
В настоящее время разработан ряд способов представления трещиноватых массивов в численных моделях:
1) Трещины моделируются в виде контактов с помощью контактного элемента;
2) Трещиноватый массив заменяется сплошной эквивалентной средой и рассматривается в виде многослойной модели;
3) Отдельные трещины моделируются в виде слоев обычных конечных элементов с очень низкими физико-механическими свойствами.
Анализ напряженно-деформированного состояния пород бермы повторно используемых выработок с учетом трещиноватости пород является целью дальнейших исследований.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Восточного Донбасса. - Шахты: ШахтНИ-УИ, 1992.-214 с. ЕЕЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Насонов Александр Александрович - аспирант, mspleschko@rambler.ru,
Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
