CC BY
33
---------------------------------------------- © А.М. Никольский, 2010
УДК 622.272 А.М. Никольский
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКА ПРИЛЕГАЮЩЕГО К ДЕМОНТАЖНОЙ КАМЕРЕ
Приведена геомеханическая оценка напряженного состояния целика прилегающего к демонтажной камере.
Ключевые слова: демонтажная камера, целик, напряжения.
Семинар № 13
0пыт разработки угольных месторождений подземным способом показывает, что в большинстве лав при управлении кровлей способом полного обрушения, наиболее неблагоприятными с точки зрения безопасности очистных работ являются места монтажных и демонтажных камер (краевые участки). Значительная концентрация напряжений на этих участках является причиной неуправляемого разрушения горных пород и повышенных деформаций. В определенных условиях эти разрушения носят динамический характер и сопровождаются тяжелыми последствиями - длительные остановки очистного забоя, травматизм трудящихся, значительные затраты на восстановление выработок [1, 2].
Известно, что основными факторами, влияющими на напряженность массива являются мощность пласта, физикомеханические свойства угля и вмещающих пород, глубина разработки, геометрия и размеры выработанного пространства, способ управления кровлей и т.д. Непрерывная механизированная выемка угля, как правило, сопровождается постоянным приростом смещений пород, в котором трудно выделить мгновенные (динамические) и постепенные (статические) разрушения. Так, например, при подходе лавы к демонтажной камере на ряде угольных шахт Кузбасса возникают
проблемы связанные с опасным обрушением кровли и отжимами угля от груди очистного забоя, размеры которого резко уменьшаются. Это делает необходимым оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) массива в районе демонтажной камеры в зависимости от длины оставляемого целика.
Рассмотрим конкретную задачу по определению НДС массива в процессе разработки угольного пласта при подходе к демонтажной камере на основе упругой модели в условиях плоской деформации [3, 4]. На рис. 1 представлена схема расчетной области и основные параметры. Решения выполнены в зависимости от вариации линейного размера целика (Ьц), прилегающего к демонтажной камере (длина целика Ьц - 20, 30, и 40 м). Средняя мощность разрабатываемого угольного пласта 2,5 м, падение -горизонтальное. Горные работы ведутся на глубине 200 м от дневной поверхности. Условия на границе расчетной области определяются напряженным состоянием нетронутого массива. Управление кровлей - обрушение налегающих пород. Высота обрушения определяется из условия полного заполнения очистного пространства. При мощности пласта 2,5 м и коэффициенте разрыхления 1,3 высота обрушения составляет - 8,5 м. В задаче не учитываются обрушен-
1 2
х
'у
ьтт
ц
4 3
Рис. 1. Схема и основные параметры расчетной области
ные породы в выработанном пространстве, которые в реальных условиях создают боковой подпор на окружающий массив, тем самым, влияя на характер распределения напряжений. Вес горных пород в моделях учитывался объемной силой.
Исходное напряженное состояние массива горных пород для месторождений осадочного типа описывается уравнениями:
= ygH, =Л(Jy, гху = °. (1)
где Н - расстояние от дневной поверхности до пласта, Я - коэффициент бокового распора, у - плотность пород, g -ускорение свободного падения.
Учитывая незначительную глубину разработки, верхняя граница модели «12» (рис. 1) соответствует дневной поверхности. Поэтому считаем, что она свободна от внешних нагрузок:
СТу = 0 , Тху = °. (2)
На правой боковой границе «2-3» задается условие характерное для нетронутого массива:
СТх = Я^у , Тху = 0. (3)
здесь Я=-------, V - коэффициент Пуас-
1 -V
сона (по А.Н. Диннику).
На нижней «3-4» и левой боковой «14» границах модели приняты краевые условия:
Поверхность «3-4» иу = 0 тху = 0
Поверхность «1-4»
их = 0, Тху = 0. (4)
Массив горных пород моделировался со следующими механическими свойствами: угольный пласт - Е = 3000 МПа (Е - модуль упругости), V = 0,35, у = 1,3 т/м3; песчаник, аргиллит и алевролит -ЕсР = 23000 МПа, V = 0,27, у= 2,7 т/м3.
Анализ основных особенностей напряженного состояния массива в районе демонтажной камеры представлен на рис. 2-5.
На рис. 2. приведен характер распределения действующих напряжений в зоне демонтажной камеры при длине оставляемого целика 30 м.
а
б
Рис. 2. Распределение напряжений в целике (Ьц = 30 м) прилегающего к демонтажной камере: а - вертикальных су; б - горизонтальных <гх; в - минимальных главных с2; г - максимальных главных с; д - максимальных касательных ТтПх
Обобщая результаты расчетов, выделим следующее (рис. 2, 3). Меньшая жесткость (упругие свойства) угольного целика по сравнению с основным массивом и свободные от нагрузки границы очистных выработок приводят к перераспределению напряжений в их окрестностях. Максимальная концентрация
вертикально ориентированных напряжений су наблюдается в районе очистного забоя на расстоянии 1-3 м в глубь массива (угольного целика). При этом нагрузка в сопоставлении с исходным полем напряжений возросла до 2,75 уН (15 МПа).
а
б
Рис. 3. Характер изменения максимальных главных напряжений с1 в районе демонтажной камеры: а - при длине целика (Ьц) 20 м; б - то же 40 м
Величина горизонтальных напряжений <ух в целике изменяется от 0,4 МПа у забоя до 6,5 МПа к его центру. В районе зоны обрушения (в кровле и почве) прослеживается рост растягивающих напряжений а2 =
0,0^—3,5 МПа, которые распространяются в глубь массива до 20 м. Последнее свидетельствует об интенсивном трещинообразовании и потере устойчивости пород.
а
МПа
б
"Стах, ЫПа 8 1
v
О Н----------------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1------------------1-----------------1-----------------1 х, м
О 5 10 15 20 25 30 35 40
Рис. 4. Распределения напряжений в центральном горизонтальном сечении целика угольного пласта прилегающего к демонтажной камере: а - с1, с2; б - ттах; 1, 2, 3 - соответственно при длине целика 20, 30 и 40 м
Наибольшие значения максимальных главных напряжений О] наблюдаются в тех же областях, что и оу. Концентрация напряжений Tmax в призабойной зоне угольного целика превышает исходное напряжение уН на 20%. В кровле и почве демонтаж-
ной камеры ттах составляет 0,3^0,8 уН. Необходимо отметить, что наличие труднообрушаемых кровель способствует сохранению повышенной концентрации опорного давления длительное время.
Ol МП a
20 25 ЗО 35 40
Ширина целика, м
Рис. 5. Величина а1 в близи очистного забоя (1-3 м) в зависимости от ширины целика
Характерные особенности развития напряженно-деформированного состояния в центральном горизонтальном сечении целика угольного пласта прилегающего к демонтажной камере представлены на графиках (рис. 4.).
Из графиков хорошо видна динамика изменения напряжений по всей ширине целика. Начало и конец кривых характеризует соответственно очистной забой и борт выработки (штрека). Существенных отличий в характере распределения
напряжений в зависимости от линейных размеров целика не наблюдается. Однако в близи очистного забоя на расстоянии 1-3 м в глубь целика абсолютные значения действующих напряжений а1 незначительно, но отличаются (рис. 5). Так, при уменьшении ширины целика, с 40 до 20 м при прочих равных условиях, нагрузка на призабойную часть в районе демонтажной камеры увеличивается на 8,0-11,0%.
Таким образом, несущественное отличие, как в характере распределения напряжений, так и в абсолютных их значениях при разных параметрах целика связано, в основном, с незначительными размерами и геометрией моделируемого объекта. В связи с этим параметры целика должны приниматься из условия обеспечения высокой безопасности работ и минимальных разрушений угля (породы), как в демонтажной камере, так и в прилегающих выработках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Христианович С.В., Кузнецов С.В. О напряженном состоянии горного массива при проведении очистных работ // Горное давление, сб. LIX. Ленинград, ВНИМИ, 1965. с. 95111.
2. Жданкин А.А., Жданкин Н.А. Пространственное напряженно-деформирован-ное состояние массива в районе сопряжений выемоч-
ных штреков с лавой // ФТПРПИ. — 1985. — № 4.
3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975.
4. Курленя М.В. Техногенные геомехани-ческие поля напряжений / М.В. Курленя, В.М. Серяков, А.А. Еременко. - Новосибирск: Наука, 2005. - 264 с. ШИН
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------
Никольский А.М. - соискатель Института горного дела Сибирского отделения РАН, nikosya@mail.ru
