CC BY
23
УДК 622.268.2:624.151.53
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОХРАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПОРОД БЕРМОВОЙ ЧАСТИ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК
© 2009 г. А.А. Насонов
Шахтинский институт Южно-Российского Shakhty Institute (Branch)
государственного технического университета of South-Russian State Technical University
(Новочеркасского политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
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: численная модель, берма, породные блоки, охранная конструкция.
The ways of supporting under-ground workings used repeatedly have been considered. Numerical mathematical model of the underground working with protective constructions in the form of rock blocks has been worked out. The dependence of intensiveness of tensions in the berm rocks of underground mining on physics-mechanical properties has been determined
Keywords: numerical model, berm, rock blocks, protective construction.
В условиях Российского Донбасса добыча угля, как правило, 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 подвижкам кровли в плоскости наслоения пород, площадь опорной поверхности и равномерность распределения нагрузки на основание.
Применяемые в настоящее время при бесцелико-вой 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) [1].
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 выступает их взаимодействие с бермовой 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, пройденную 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 1,0x1,0 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 конечных элементов, широко применяющегося для решения подобных задач.
Автором была разработана объемная численная модель участка, имеющая 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 3,0 - 3,5 раза.
Породы бермы штрека находятся в состоянии объемного растяжения, при этом интенсивность эквивалентных растягивающих напряжений уменьшается от контура в глубь пород бермы.
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 оотн, определяемый как отношение максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы, контактирующих с блоками, к соответствующим напряжениям в породах бермы без охранных конструкций. Определение параметра оотн производилось при различных физико-механических характеристиках породных блоков.
На рисунке представлен график зависимости относительных напряжений от отношения Gбл/G0, где Gбл - модуль сдвига пород охранного блока, G0 -модуль сдвига пород бермы.
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0
0,2
0,4
0,6
0,8 G6JGÜ
Динамика изменения относительной интенсивности максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы при увеличении отношения ОбиЮа
Полученная зависимость имеет параболический характер и описывается уравнением вида
(
СТотн =-0,711
G
У
бл
V G0 J
О,
+1,598—— + 0,955.
Gn
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 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.
Литература
1. Руководство по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса. Шахты, 1992.
Поступила в редакцию
1 июля 2008 г.
Насонов Андрей Андреевич - соискатель кафедры «Подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8(863)62-22-71-60. E-mail mspleschko@rambler.ru
Nasonov Andrey Andreevich - compepitor of departament underground, industrial, civil engineering and building materials of Shahty branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(863)62-22-71-60. E-mail mspleschko@rambler.ru_
о
