CC BY
37
УДК 624.19
В.А. Карасев, канд. техн. наук, доц., (83842) 39-63-19),
В.А. Гоголин, д-р техн. наук, проф., (83842) 39-63-19), [email protected] (Россия, Кемерово, КузГТУ),
РАЗМЕРЫ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВЫРАБОТКИ ПО ПЛАСТУ
Проведено численное моделирование напряженного состояния горных пород в окрестности закрепленной и незакрепленной выработки, пройденной по пласту. Получены зависимости размеров зон разрушения в пласте и горных породах от глубины разработки, коэффициента бокового распора и мощности пласта.
Ключевые слава: подготовительная выработка, напряженное состояние, зоны разрушения пласта и пород.
Исследование напряженного состояния массива горных пород в окрестностях подготовительных выработок, а также исследование взаимодействия крепей в подготовительных выработках с массивом горных пород являются классическими проблемами геомеханики. Эти проблемы решались многими ученными, которые использовали различные методы исследований - аналитические, экспериментальные, их сочетание, а также численные. Из многочисленных результатов, полученных при решении данной проблемы, следует выделить [1-7].
Целью данной работы являлось исследование напряженного состояния и зон разрушения горных пород и пласта в окрестности закрепленной и незакрепленной подготовительной выработки. Так как массив горных пород имел неоднородное строение, то для решения поставленной задачи в работе использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программе ЕЬСиТ-81;иёеп1;, версия 5.3 производственного кооператива ТОР.
Расчетная прямоугольная область состоит из трех элементов: породы, угольного пласта и подготовительной выработки, Размеры расчетной области в 5 раз превышали размеры выработки. Массив горных пород представлен алевролитом средней прочности со следующими деформаци-
9 2
онными параметрами: модуль линейных деформаций £=10 Н/м , коэффициент поперечных деформаций у=0,25. Деформационные параметры угля
8 2
имели следующие значения: Е=10 Н/м , у=0,27. Зоны разрушения пород и угля определялось по критерию Мора [8].
Напряженное состояние массива горных пород и размеры зон разрушения рассматривались в зависимости от следующих факторов: т -мощность угольного пласта, диапазон изменения от 0 до 8 м; Н - глубина залегания выработки, диапазон изменения от 300 до 450 м; X -коэффициент бокового распора, диапазон изменения от 0,25 до 0,5.
Граничные условия для расчетной области, нагруженной весом пород и угля, принимались исходя из значений начального поля напряжений.
При решении задачи определялись следующие размеры зоны разрушения: ^утля - длина зоны разрушения угля; dЧl0-в - длина зоны разрушения породы в кровле; dпoчв - длина зоны разрушения породы в почве; Укр0в -высота зоны разрушения породы в кровле; уП0Чв - высота зоны разрушения породы в почве.
Оценка прочности массива проводилась путем сравнения расчетного значения критерия Мора ом0 с пределом прочности на растяжение ор. Выполнение условия Омо>^р позволяет судить о разрушении пород и угля в окрестности подготовительной выработки. Для породы ор = 2,7-106 Н/м2, а для угля ор = 1,2-106 Н/м2.
В качестве крепи выбрана арочная крепь податливой конструкции, изготовленная из профиля ШП-26, которая имеет более высокую несущую способность, чем крепь с профилем СПВ-27 [9].
Деформационные и прочностные параметры крепи профиля ШП
приняты для горячекатаной стали по ГОСТ 18662-83 и имеют следующие
11 2
значения: модуль линейных деформаций £’=2-10 Н/м ; коэффициент поперечных деформаций у=0,25; предел прочности на растяжение
82
ор=4-10 Н/м . Деформационные, прочностные и геометрические парамет-
92
ры замка имели следующие значения: длина замка 400 мм; Е=10 Н/м ; у=0,27, ор=107Н/м2.
Размеры зон разрушения породы и угля приведены в таблице.
Значения выходных параметров для выработки с крепью и без крепи
т Н X Незакрепленная выработка Закрепленная выработка
^угля ^кров ^почв ^кров ^почв ^угля ^кров ^почв ^кров ^почв
4 300 0,25 0,85 3,45 1,75 0,7 0,4 0,5 0 3,2 0 0,65
4 300 0,5 0,75 0,06 0 0,02 0 0,42 0 3,3 0 0,66
4 400 0,25 7,3 4,05 2,2 0,95 0,65 2,6 0 3,36 0 0,95
4 400 0,5 7,0 0,81 0 0,2 0 2,6 0 3,4 0 0,94
6 300 0,25 1,18 3,43 2,1 0,26 0,49 0,7 0 3,25 0 0,65
6 300 0,5 1,04 0 0 0 0 0,48 0 3,26 0 0,6
6 400 0,25 6,28 4,52 2,44 0,66 0,69 2,5 0 3,3 0 0,86
6 400 0,5 5,8 0 0 0 0 1,16 0 3,34 0 0,86
Получены следующие значимые регрессионные уравнения, описывающие взаимосвязь факторов и выходных параметров:
dугля = -22,7846 + 0,0757 • Н, м;
dкpoв = 3,4707 - 6,9912 -X, м;
dпочв = 2,9377 + 0,0048 • Н - 8,976 -X, м; укров = 0,7186 -1,4456 • X, м;
упочв = 0,6861 + 0,0359 • m + 0,0012 • Н - 2,3889 • X, м.
Анализ полученных результатов показывает, что увеличение коэффициента бокового распора снижает размеры зоны разрушения пород в кровле выработки, а крепление выработки приводит к сохранению пород кровли в устойчивом состоянии.
Список литературы
1. БаклашовИ.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1984. 415 с.
2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994.
278 с.
3. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н. , Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. 288 с.
4. Расчет крепи и охранных целиков подготовительных выработок/ П.В. Егоров и [др.]/ М.: Недра, 1995. 126 с.
5. ЛиберманЮ.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: 1969. 113 с.
6. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработокна больших глубинах. М.: Недра, 1985. 271 с.
7. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993. 256 с.
8. Разрушение. Т.2. М.: Мир, 1975. 763 с.
9. Макшанкин Д.Н., Ремезов А.В. Специальный шахтный профиль для изготовления металлических арочных крепей горных выработок. Топливно-Энергетический Комплекс Кузбасса. №2. С. 61-63.
V.A. Karasev, V.A. Gogolin, A.N. Aleshina
SIZES OF ROCK FAILURE DURING ROADHEADING IN COAL SEAM
Article contains results of numerical experiments by the finite element method for a condition of rocks in a vicinity of coal roadway. The received dependences show influence mining depth, horizontal pressure, thickness of seam for sizes of rock failure. Coal roadway, stress condition, rock failure.
Key words: mining working, stress condition, rock failures.
Получено 20.04.11
