CC BY
19
Key words: real estate register, cadastral information, information security, interagency cooperation, information technologies, blockchain technology, databases, smart contracts.
Basova Irina Anatol'evna, doctor of technical sciences, professor, head of the department, bia52@.mail.ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 622.2
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОЕ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
В.В. Мельник, В. А. Бакин
Параметрами, характеризующими условия эффективного поддержания горных выработок, являются размеры горных выработок, способ крепления кровли выработок, устойчивость междуштрековых целиков. Схема крепления может быть усовершенствована изменением длины анкеров, их расположения и угла наклона, путем применения сочетания штанговых и канатных анкеров. Наиболее трудные условия поддержания горных выработок имеют место, когда выработки расположены перпендикулярно к максимальному горизонтальному напряжению. Наиболее благоприятные условия наблюдаются, когда выработки расположены параллельно максимальному горизонтальному напряжению.
Ключевые слова: горная выработка, породы кровли, междуштрековый целик, нормальное напряжение, касательное напряжение, горно-геологические условия.
К основным параметрам, характеризующим условия эффективного поддержания горных выработок, относятся, прежде всего, размеры горных выработок; способ крепления кровли выработок; устойчивость междуштрековых целиков [1-5].
С точки зрения устойчивости минимально допустимые ширина и высота выработок, предназначенных для вентиляции и транспорта, должны устанавливаться для условий наименее прочных пород кровли и угля на данном участке. Увеличение пролета кровли или высоты выработки приводит к увеличению смещения кровли или раздавливанию краевых частей целиков, поэтому уменьшение размеров выработок может существенно снизить потенциальную возможность разрушения кровли от растягивающих напряжений. Расчеты показывают, что кровля, сложенная переслаивающимися пачками угля и слоев глинистого песчаника, имеют недостаточную прочность для того, чтобы при обычной ширине выработки сопротивляться нагрузкам укрепленных анкерами слоев длительное время.
Если в кровле нет прочных слоев пород в пределах толщи, укрепленной анкерами, обычно применяются анкеры с полным закреплением полимерным составом для соединения тонких слоев в более мощную балку, способную воспринимать вес пород в пределах свода давления или зоны разгрузки над выработкой. Прочность при растяжении нижних слоев внутри скрепленной анкерами толщи часто используется при расчетах пролета кровли, внутри которой обеспечена надежная связь между анкерами и породой. Поэтому несущая способность анкеров с полным закреплением полимерным составом является ключевой проблемой при управлении устойчивостью кровли. В противном случае кровля выработки может разрушиться от растяжения вследствие влияния недостаточности укрепления балки.
Нагрузка на околоштрековые целики определяется весом покрывающей толщи пород и эксплуатационным опорным давлением, связанным с горными работами. От устойчивости целиков существенно зависят деформация и устойчивость выработок, особенно при залегании в кровле слабых слоев. Расчеты [6], показывают, что при целиках шириной 35 м у основных штреков (выработка охраняется по схеме «массив - целик») и 40 м у вспомогательных (выработка с двух сторон граничит с выработанными пространствами) коэффициент запаса устойчивости штреков в течение всего периода их эксплуатации составляет соответственно 4,8 и 1,5. Поэтому для данной глубины разработки размеры целиков для охраны основных и вспомогательных выработок должны приниматься исходя из требования обеспечения устойчивости во все периоды эксплуатации. Исходя из этого, можно сделать вывод, что целики указанных размеров не влияли на разрушение или обрушение кровли.
Имевшие место на этой шахте разрушения и обрушения кровли в большинстве случаев были связаны с влиянием локальных геологических ослаблений, большими размерами выработок, не соответствующими данным условиям, характеристиками крепления и исходным полем напряжений.
Опыт поддержания выработок в условиях влияния влияния высоких ризон-тальных напряжений. Основной причиной разрушения горных пород под действием касательных напряжений являются высокие горизонтальные напряжения. Переориентировка горных выработок является наиболее эффективным способом в тех случаях, когда установлено наличие больших горизонтальных напряжений. Однако переориентировка направления проведения выработок дорогостоящее мероприятие, а расположение сбоек под углом к подготовительным выработкам приводит к снижению прочности угля в угловых частях целиков. Поэтому должен быть учтен ряд факторов, определяющих результаты осуществления проекта по переориентировке выработок. Для предотвращения разрушения пород кровли в выработках и их обрушения должно быть установлено [7]:
1) какие напряжения, сдвигающие или растягивающие, являются причиной разрушения кровли в выработках;
2) горизонтальные, вертикальные напряжения или локальные геологические нарушения являются главной причиной разрушения и обрушения пород в выработках.
Подземные выработки, пройденные вблизи зон геологических аномалий, как правило неустойчивы, если слои кровли не закреплены должным образом или установка анкерной крепи производилась без учета исходного поля напряжений. При этом обрушение пород кровли может происходить в любых штреках или квершлагах, если не принимать во внимание их направление. Породы кровли после обнажения могут разрушаться под действием растягивающих или касательных напряжений сразу или при эксплуатации выработки в зависимости от наряженного состояния массива, влияния порядка выемки, прочности пород и силовых характеристик крепи. Горизонтальные напряжения определяют направление сдвиговых нарушений, в то время как высокие вертикальные напряжения или большие пролеты кровли определяют направление нормальных растягивающих напряжений.
Выбор эффективных способов для предотвращения обрушения пород кровли основывается на анализе условий разрушения, под действием растягивающих и касательных напряжений. Экспериментальные данные показывают, что сопротивление сдвигу горной породы определяется нормальными напряжениями и может быть определено из уравнения обыкновенного предельного состояния:
а = а + а + а — а (1)
п 2 + 2 , (1)
т = с + ап • tgф, (2)
где т - прочность при сдвиге; с - сцепление; ф - угол внутреннего трения; ап — нормальное напряжение на потенциальной площадке сдвига; 01 — максимальное главное
напряжение; оз - минимальное главное напряжение; а - угол падения потенциальной площадки сдвига (относительно минимального главного напряжения).
Касательные напряжения на потенциальной площадке сдвига t и угол падения a можно определить по формулам: t = 0,5(s -03 )• sin 2a; a = 45о + 0,5f . Для оценки условий разрушения пород кровли применяется коэффициент устойчивости коде, который определяется по следующей формуле: ксдв = осрt-1, где оср - прочность на срез.
Кровлю выработки можно представить состоящей из балок или плит, тогда слои пород могут разрушаться под действием растягива ющих напряжений от изгибающих моментов при изгибе. Изгибаю щие моменты на концах и в середине балки с защемленными кон цами при прочих равных условиях больше, чем у пластин. Поэтому для описания условий разрушения пород под действием растягивающих напряжений обычно применяется теория плоского изгиба балок. Если балка с одним закрепленным концом подвер гается воздействию только равномерно распределенной вертикаль ной нагрузки, то максимальные растягивающие напряжения на опо
рах определяются по формуле [8]: max{oi} = 0,5qWgh 2, где 0 - растягивающие напряжения; q - равномерно распределен ная вертикальная нагрузка; h - толщина породного слоя (балки); We - ширина выработки или пролета кровли.
При разрушении слоев под действием растягивающих напряжений при изгибе коэффициент устойчивости кизг может быть определен как отношение максимального пролета кровли Lmax к ширине выработки We. Теоретически при кизг > 1 кровля должна быть устойчивой. Однако если качественное крепление кровли анкерами обеспечить невозможно, то разрушение кровли может происходить, под действием растягивающих напряжений при изгибе слоев. Породы кровли выработок под действием касательных или растягивающих напряжений могут обрушаться или сразу после подвигания забоя, или в продолжение периода эксплуатации выработки. Это зависит от напряженного состояния горного массива, вызванного ее проведением, и прочности искусственной структуры, созданной креплением кровли анкерами. Для предотвращения обрушения пород кровли, в одних случаях может потребоваться дополнительное крепление кровли канатной крепью, а в других в этом нет необходимости. Однако если слои пород кровли в пределах установки анкеров потенциально склонны к обрушению, то для его предотвращения дополнительное крепление канатными анкерами может потребоваться во всех случаях. Для прогноза и предотвращения обрушения пород кровли при проходке и эксплуатации горных выработок и выбора соответствующих параметров паспорта крепления ответ на этот вопрос должен быть получен еще на стадии проектирования выемочных участков путем проведения исследований ориентировки главных горизонтальных напряжений, структуры и физико-механических свойств пород.
Схема ориентировки выработок относительно начального поля напряжений: а - трехмерное пространство главных напряжений; Ь — среднее главное напряжение в плоскости х0у [49, 80]
299
Наиболее трудные условия поддержания горных выработок имеют место, когда выработки расположены перпендикулярно к максимальному горизонтальному напряжению, в то время как наиболее благоприятными являются случаи, когда выработки расположены параллельно максимальному горизонтальному напряжению [91.
Значение главного напряжения о можно определить графическим методом по эллипсу напряжений (рис. 1, b). Координаты точек х и у на могут быть определены по формулам [10]: x = a • cos 5; y = b • sin 5 , где a = sH и b = - малая и большая полуоси эллипса, пропорцио нальные главным горизонтальным напряжениям; б - угол между осью выработки и главным максимальным горизонтальным напря жением sH . Величина расстояния от начала координат до точки с координатами (x, y) опре-
величине горизонтальных напряжений, действующей параллельно оси выработки.
Имеется два основных способа уменьшения влияния максимальных горизонтальных напряжений. Первый способ заключается в проходке выработок под углом 45° к максимальному горизонтальному напряжению. Второй способ состоит в проведении штреков параллельно максимальному горизонтальному напряжению, а квершлагов -под углом к нему. Такое расположение квершлагов может привести к ослаблению угловых частей целиков, что, в свою очередь, приведет к уменьшению их несущей способности и увеличению неподдерживаемой площади кровли на пересечениях [12].
Результаты исследований показали, что переориентировка выработок может снизить величины концентрации горизонтальных напряжений только в тех случаях, если главные горизонтальные напряжения будут существенно различаться.
Многие исследования показали, что горизонтальные напряжения в пределах угольных месторождений обнаруживают сходство, однако локальные специфические условия, включающие геологические нарушения и физико-механические свойства пород, также должны приниматься во внимание для повышения устойчивости системы выработок на конкретных участках.
Расположение в зонах, склонных к пучению пород почвы или быстрому ухудшению состояния пород кровли, делают дорогими мероприятия по обеспечению безопасности в течение проектного периода эксплуатации выработок. В работе [80] показано, что высокие горизонтальные напряжения могут приводить к продольному изгибу и пучению пород почвы. Такие же явления могут иметь место в кровле, если непосредственная кровля представлена слабыми или средней прочности породами.
Исследованиями установлены различные типы обрушений пород кровли, связанные с высокими горизонтальными напряжениями в горном массиве. Наибольшие разрушения пород кровли имеют место при направлении выработок перпендикулярно направлению максимальных горизонтальных напряжений; однако выработки, пройденные параллельно максимальным напряжениям, остаются устойчивыми. Обычно разрушение пород кровли начинается на пересечениях и развивается вдоль выемочных штреков, пройденных перпендикулярно направлению максимального горизонтального напряжения. Высота образующихся при этом куполов сводообразной формы изменяется от 2 до 6 м.
Управление обрушениями горных пород, связанными с геологическими нарушениями, осуществляется изменением принятой схемы крепления, установкой дополнительной крепи, изменением размеров и ориентировки выработок. Схема крепления может быть усовершенствована изменением длины анкеров, их расположения и угла наклона, путем применения сочетания штанговых и канатных анкеров, установкой подхватов, затяжек или верхняков. Часто устанавливаются дополнительные анкеры, пересекающие поверхности нарушений или специальная крепь, стойки или костры.
Форма и размеры выработок вблизи пересечения существенно влияют на величину напряжений в кровле, и это влияние сопоставимо с напряжениями в слоях, зависящими от ширины (диагонали) пролета кровли, и вариантами конфигурации пересече-
Величина d пропорциональна
ния. Решения на основе теории балок, применяемые для определения напряжений и прогибов в защемленных слоях кровли штреков, неприменимы для анализа условий деформирования кровли на пересечениях. Однако они могут применяться для анализа напряжений и деформаций в прилегающих штреках и для объяснения влияния изменений напряжений на деформацию слоев вблизи пересечений.
Был выполнен численный анализ оценки влияния пролета кровли, размеров целиков и их расположения на устойчивость пересечений с учетом локального коэффициента безопасности, связанного с напряженным состоянием массива. Результаты анализа заключаются в следующем:
1. Вертикальная деформация кровли на четырехсторонних пересечениях имеет максимальные значения в центре. Максимальное смещение на трехсторонних пересечениях имеет место вблизи сопряжения пересечения с примыкающей выработкой. На большинстве четырехсторонних пересечений вертикальные смещения кровли при прочих равных условиях больше, чем на трехсторонних.
2. При определении пролета кровли и размеров целиков следует иметь в виду, что максимальные вертикальные напряжения имеют место в углах целиков, а максимальные напряжения на четырехсторонних пересечениях больше, чем на трехсторонних.
3. Критические концентрации напряжений в кровле типовых пересечений значительно больше, чем на протяженных участках горных выработок, и обусловлены резким изменением формы и величины обнажений.
Список литературы
1. Игнатьев А.Д. Исследование устойчивости очистного забоя. М. Наука. 1967.
91 с.
2. Либерман Ю.М., Хаимова-Малькова Р.И. Упругопластический анализ напряженного состояния краевой части угольного пласта методом конечных элементов // Науч. труды ИГД им. А.А. Скочинского. 1982. Вып. 204. С. 35 - 40.
3. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемой систем. М. Наука. 1969. 564 с.
4. Техника и технология горно-подготовительных работ в угольной промышленности / Под ред. Э.Э. Нильвы. М. Недра. 1991. 314 с.
5. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах / В.А. Потапенко [и др.]. М.: Недра. 1990. 37 с.
6. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. М.: Недра. 1989. 386 с.
7. Зорин А.Н. Управление динамическими проявлениями горного давления. М.: Недра. 1978. 175 с.
8. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых / А.В. Саранчуков [и др.]. Караганда. КарГТУ. 2007. 354 с.
9. Разработка прогрессивного способа крепления подготовительных горных выработок комбинированной анкерно-рамной крепью / Ж.П. Вареха [и др.] // Караганда. Труды университета КарГТУ. 2007. № 4. С. 7 - 10.
10. Исследования по определению несущей способности полимерно-стальной анкерной крепи / Ж.П. Вареха [и др.] // Караганда. Труды университета. КарГТУ, 2008. № 1. С. 40 - 41.
11. Черняк И.Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок. М.: Недра. 1978. 237 с.
12. Методика выбора способов охраны подготовительных выработок от горного давления в условиях глубоких шахт. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1972. С. 56-59.
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»,
Бакин Владимир Александрович, горный инженер, eco/ogya, tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVAL UA TING PARAMETERS CHARACTERIZING THE EFFECTIVE MAINTENANCE OF MINING WORKS, IN DIFFICULT MINING-GEOLOGICAL CONDITIONS
V. V. Melnik, V.A. Bakin
The parameters characterizing the conditions for the effective maintenance of mine workings are the size of mine workings, the method of fastening the roof of the workings, the stability of the roadways. The fastening scheme can be improved by changing the length of the anchors, their location and angle of inclination, by using a combination of rod and rope anchors. The most difficult conditions for maintaining mine workings occur when the workings are located perpendicular to the maximum horizontal stress. The most favorable conditions are observed when the workings are located parallel to the maximum horizontal normal stress.
Key words: mine workings, roof rocks, pillars between drifts, normal stress, shear stress, mining and geological conditions.
Melnik Vladimir Vasilievich, doctor of science, professor, head department, ecology @ tsu.tula.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University «MISiS»
Bakin Vladimir Alexandrovich, mining engineer, ecology @ tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.05
ПРОЦЕССЫ РАЗРАБОТКИ И ИНТЕГРАЦИИ ПРОГРАММ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНДУСТРИИ
Е.А. Плахина
В работе описываются процессы внедрения и разработки специализированного программного обеспечения для аэрокосмической отрасли. Приведены основные положения, преимущества внедрения, а также сведения по обеспечению информационной безопасности таких программных продуктов.
Ключевые слова: информационная безопасность, интеграция программ, индустрия, аэрокосмическая.
Аэрокосмическая индустрия наряду с оборонной промышленностью считаются наиболее перспективными направлениями. Можно говорить о большой ответственности, которая ложится на любую компанию, занятую в такой сфере, а потому принятие почти каждого решения контролируется государством.
И если допущены ошибки в производственном процессе или в управлении, могут случиться самые непредсказуемые и отрицательные результаты. Благодаря современным программам (рис. 1), оптимизируются процессы, происходящие в таких компаниях, и правильно организовывается функционирование логистики, снижаются риски, вернее контролируется качество продукции на каждом производственном и эксплуатационном этапе [1, 2, 3]. В целом, в программные продукты сводятся к следующей иерархии (рис. 2).
