CC BY
0Розробка корисних копалин
УДК 622.831.3
к.т.н. Касьян С. И. (ДонГТУ, г. Алчевск, Украина)
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОКРУГ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ В ЗОНЕ
ВЛИЯНИЯ ЛАВЫ
Изучены влияния факторов на напряженно-деформированное состояние вокруг выработки в зоне влияния лавы при компьютерном моделировании для условий Донецкого бассейна.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, компьютерное моделирование, подготовительная выработка.
Проблема и связь ее с научными и практическими задачами.
Устойчивость кровли на сопряжениях лав с выработками зависит от горногеологических и горно-технических факторов, основные из которых: прочность пород основной и непосредственной кровель, глубина разработки, угол падения и мощность пласта. Самыми «проблемными местами» можно назвать концевые участки лав и сопряжения лав с выработками, где возникают концентрации напряжений и, как следствие, образование трещин от взаимного влияния опорного давления лавы и давления вокруг выработки.
С увеличением глубины разработки растет гидростатическое давление, происходит выдавливания почвы выработок, сжатие со стороны боков, наблюдается рост деформаций в выработках находящихся в массиве, вне зоны влияния лав, при отсутствии опорного давления от очистных работ [1]. Начало формирования опорного давления связано с отходом очистных работ от монтажной камеры и первыми обрушениями кровли. Обрушение непосредственной кровли, оседание основной и каждого вышележащего слоя происходит при потере устойчивости, а на длину устойчивого пролета оказывают влияние мощность слоев пород и физико-механические свойства, но количественная оценка влияния прочности основной и непосредственной кровли не производилась. По мере подвигания лавы увеличивается
площадь обнаженной поверхности кровли пласта, соответственно изменяются величина горного давления и положение воспринимающих его опор [2]. В результате чего от технической обоснованности решений вопросов горного давления зависят рациональные параметры горных выработок, параметры систем разработки, технология горных разработок, и много другое
[3].
Так при изучении проявлений горного давления в подготовительных выработках возможна качественная и количественная оценка. Качественная оценка заключается в описании наблюдаемых проявлений, определении их типа и систематизация. Для количественной оценки измеряют характерные показатели проявлений, а получаемые результаты сопоставляют с другими измеряемыми величинами. В результате анализа литературных источников установлено, что качественные показатели факторов влияющие на опорное давление изучены, но количественные значения этих факторов изучены недостаточно для условий Донбасса, поэтому исследования в этом направлении актуальны.
Постановка задачи. Целью настоящей работы является изучение влияние факторов на напряженно-деформированное состояние вокруг выработки в зоне влияния лавы.
Задачи:
а) проанализировать диапазоны условий отработки лав Донбасса;
Розробка корисних копалин
б) изучить влияние глубины разработки и мощности пласта на напряженно-деформированное состояние вокруг выработки в зоне влияния лавы;
в) определить параметры опорного давления.
Изложение материала и его результаты. Изучение влияния мощности пласта и глубины разработки в натурных условиях влекут за собой большие капиталовложения и трудности измерения напряженно-деформированного состояния массива. Поэтому для исследования было принято компьютерное моделирование с помощью ПК «Лира».
Изучение напряжённо-деформированного состояния массива горных пород вокруг примыкающей к лаве выработки проводилось с помощью составленных объёмных моделей методом конечных элементов, каждая из которых представляет собой горный массив, представленный 180000 объемными элементами, в которых проектировалась примыкающая к лаве выработка, шириной 4 м и высотой 3 м; с одной стороны моделировался массив горных пород, а с другой стороны — очистная выработка; охрана примыкающей к лаве выработки осуществляется двумя рядами БЖБТ. Размеры модели составляют: вдоль выработки 650 м, вдоль лав 480 м. Для выявления влияния геологических факторов на вертикальные напряжения в кровле исследования проведены в широком диапазоне изменения глубины, мощности пласта, предела прочности пород на сжатие при отработке пологих пластов в Донбассе. Для исследования принимались минимальные, максимальные и средние значения глубины разработки, мощности пласта, а также ли-тотип и пределы прочности непосредственной и основной кровель для условий Донецкого бассейна [4, 5], а именно: минимальная глубина разработки — 339 м; средняя глубина разработки — 680 м; максимальная глубина разработки — 1250 м; минимальная мощность пласта — 0,6 м; средняя мощность пласта — 1,23 м; максимальная мощность пласта — 2,15 м; непо-
средственная и основная кровли — аргиллит, алевролит и песчаник.
Для всех условий были составлены 13 задач МКЭ, решенные в упругой постановке, причем для сравнения влияющих факторов при изменении глубины разработки и прочности пород принималась средняя мощность пласта и наоборот. При анализе результатов моделирования исследовались вертикальные напряжения для определения параметров опорного давления. Параметры определяем на расстоянии до 5 м от выработки в зоне влияния лавы. Исследования проводились в элементах со стороны лавы, на расстояниях от 0,15 м до 5 м.
Изменение вертикальных напряжений впереди лавы и напряжений за очистным забоем на расстоянии 2,25 м от выработки при разных значениях глубины разработки и мощности пласта носят одинаковый характер, но максимумы напряжений увеличиваются с глубиной разработки. Так при минимальной глубине разработки напряжения приняты за 100%, при средней глубине разработки максимум напряжений составляет 193%, а при максимальной глубине разработке — 372 %. Изменение максимума не зависит от расстояния от выработки в глубь массива со стороны лавы.
При изменении мощности пласта наблюдается аналогичная зависимость, но расхождение результатов не превышает 10 %.
На рисунке 1 изображены изополя вертикальных напряжений в плане в зоне влияния лавы, где наблюдается распределение напряжений вблизи примыкающей к лаве выработки. Со стороны лавы наблюдается распределение опорного давления от лавы и от выработки, а со стороны массива только от выработки, при ширине до 25 м.
Вокруг выработки наблюдаются концентрации напряжений, которые могут быть причиной вывалообразования. В связи с этим дальнейшие исследования направлены на определение влияющих факторов на сопряжении лавы с примыкающей к ней выработке при изменении глубины разработки, прочности основной и непосредственной кровли и мощности пласта.
Розробка корисних копалин
23,1 МП 26,2 МПа Ш1 рщ щ± 1 1
20, 4 МПа .
1 | -------1
Рисунок 1 — Изополя вертикальных напряжений в плане
Для определения корреляционных зависимостей максимальных напряжений и факторов, результаты решения задач обработаны и получены уравнения множественных регрессий вертикальных напряжений. Первоначально анализировался массив данных для протяженности от 40 м до лавы и до 60 м за лавой, но из за сложности описания вертикальных напряжений до и после прохода лавы рассмотрены только напряжения в массиве вблизи лавы, а напряжения за лавой отдельно в массиве с другой стороны от выработки. Получена зависимость для определения вертикальных напряжений впереди лавы
Ш = 52,6 - 0,22 +1,77/Lв + 9-10-8 • Н3 • ■т/(1л + 4) - 732,83/л/Н, МПа; (1)
R2 = 0,94; а = 1,17 •Ю-4.
где Lв — расстояние от примыкающей к лаве выработки в сторону лавы, м (область применения от 0,1 м до 5,0 м); т — мощность пласта, м (область применения от 0,6 м до 2,15 м); Lл — расстояние от лавы по длине выработки, м (область применения от линии очистного забоя до 60 м впереди лавы); Н — глубина разработки, м (область применения от 339 м до 1250 м); R2 — коэффициент детерминации.
После чего получено уравнение частных регрессий изменения вертикальных напряжений от глубины разработки вдоль лавы
^ = 52,9 +1,1-10-7 • Н3/ /(1л + 4) - 732,83/ 4Н, МПа. (2)
Далее проанализировано влияние мощности пласта и глубины разработки на длину зоны опорного давления, по результатам чего построен график изменения длины зоны опорного давления от глубины разработки и мощности пласта (рис. 2)
Ьпп = 24,57 + 87,6т - 896т /2^Н, м; (3)
R2 = 0,80; а = 5,38-КГ4
Сравнивая полученные результаты, согласно рисунку 2, с аналогичными исследованиями в условиях Кизеловского бассейна [6] можно сделать вывод о схожем характере распространения длины зоны опорного давления в зависимости от глубины разработки и мощности пласта. Несмотря на это, при детальном сравнении результатов наблюдаются изменение значений длины зоны опорного давления на 10 %, при средних глубинах разработки, и на 30 % при глубине разработки более 1000 м, что связано с особенностями свойств массива Донецкого бассейна.
Розробка корисних копалин
Рисунок 2 — График изменения длины зоны опорного давления от глубины разработки и
мощности пласта
Далее исследован параметр максимума опорного давления ( Nz (max) ) и расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления (а ). В результате чего получены уравнения множественных регрессий:
Nz (max) = 0,61m -2,61Le + 0,07Н --0,12Rh - 0,12, МПа;
R2 = 0,98; a = 1,05 -10-4; 0,88m - 2,55Le + 0,07 Н
(4)
а = -
+
1,65
0,1 2Rh - Nz (max) - 0,09 1,65
- +
, м; (5)
R2 = 0,98; a = 1,37 • 10-
Преобразовывая формулы 4 и 5 получаем уравнение для определения расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления, где влияющими факторами являются мощность пласта и расстояние от выработки в сторону лавы по ее длине
0,03 + 0,27т + 0,06 Lв
а =-, м . (6)
1,65
Из уравнения 6 получаем уравнение чистых регрессий
- от мощности пласта
0,21 + 0,27т
а =-, м; (7)
1,65
от расстояния от выработки вдоль
лавы
0,37 + 0,06Le
а =-, м.
1,65
(8)
По результатам уравнения чистых регрессий строим график изменения расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления, мощности пласта и расстояния от выработки вдоль лавы (рис. 3), где с увеличением расстояния от выработки (при области применения от 0,15 м до 5 м) и мощности пласта — увеличивается расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления.
4
Розробка корисних копалин
Рисунок 3 — График изменения расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления, мощности пласта и расстояния от выработки вдоль лавы
Выводы и направление дальнейших исследований.
В результате проделанной работы установлены корреляционные зависимости для определения длины зоны опорного давления и расстояния от забоя до максимума зоны опорного давления от горноБиблиографический список
геологических и технологических факторов.
Так как задача решена в упругой постановке дальнейшие исследования будут направлены на решение нелинейных задач теории упругости, определение параметров разрушения пород и расстояния до максимума опорного давления.
1. Авдеев Г. Ф. О формировании опорного давления / Г. Ф. Авдеев, Л. А. Штанько, А. И. Лагерь и др. //Известия вузов «Горный журнал». — 1973. — № 7. — С. 9-13.
2. Дядюра О. И. Исследование взаимного влияния горного давления спаренных лав // О. И. Дя-дюра / Уголь Украины. — № 2 — 3. — 2002. — С. 17-18.
3. Черняк И. Л. Управление состоянием массива горных пород: учебное пособие. Раздел горное давление в подготовительных выработках /И. Л. Черняк. — М. : Изд. МГИ. — 1981. — 59 с.
4. Каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горногеологических факторов и явлений: каталог / [сост. М. И. Устинов и др.; ред. С. А. Сжирен-ская]. — М. :ИГД им. А. А. Скочинского, 1982. — 368 с.
5. Кадастр угольных шахтопластов, предусмотренных к отработке шахтами и разрезами Госуглепрома Украины с характеристикой горно-геологических, горнотехнических условий и показателей качества углей: каталог / [авт. В. Я. Долгий и др.; ред. П. Я. Большаков]. — Донецк: Донуги, 2001. — 126 с.
6. Винокур Б. Ш. О характере деформирования вокруг очистного забоя / Б. Ш. Винокур, Г. С. Назаров // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1968. — № 5. — С. 1-4.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. ДонГТУКлишиным Н. К., к.т.н., проф. СУНИГОТ УИПА Алексеенко С. Ф.
_Розробка корисних копалин_
Статья поступила в редакцию 12.03.14.
к.т.н. Касьян С. I. (ДонДТУ, м. Алчевськ, Украгна)
ВПЛИВ ФАКТОР1В НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН НАВКОЛО П1ДГОТОВЧО1 ВИРОБКИ В ЗОН1 ВПЛИВУ ЛАВИ
Вивчено впливи фактор1в на напружено-деформований стан навколо виробки в зош впливу лави при комп'ютерному моделюванм для умов Донецького басейну.
Ключовi слова: напружено-деформований стан, комп'ютерне моделювання, тдготовча ви-робка.
Kasian S. I. Candidate of Engineering Sciences (DonSTU, Alchevsk, Ukraine)
FACTORS INFLUENCE ON THE DEFLECTED MODE AROUND THE PREPARATORY
DEVELOPMENT WITHIN THE LAVA'S AFFECTED ZONE
Factors influences on the deflected mode around the preparatory development within the lava's affected zone are examined for the conditions of Donetsk basin with the help of computer simulation. Key words, deflected mode, computer simulation, preparatory development.
