CC BY
11
© A.A. Насонов, 2012
УДК 622.268.2:624.151.53 A.A. Насонов
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОРОД НА УСТОЙЧИВОСТЬ БЕРМОВОЙ ЧАСТИ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВЫРАБОТОК
Рассмотрена математическая модель участка повторно используемой выработки. Выполнено сравнительное исследование напряженно-деформированного состояния однородных и неоднородных пород бермы. Установлено, что наличие слабого слоя небольшой мощности отрицательно влияет на устойчивость бермы. Ключевые слова: породный массив, повторно используемая выработка, устойчивость.
Лобыча угля на многих месторождениях полезных ископаемых осуществляется с тонких пластов, залегающих в массивах прочных пород. Как показывает практика, наиболее эффективным технологическим решением являются бесцелико-вые способы охраны, предусматривающие проведение выработки в нетронутом массиве с последующим её поддержанием на границе выработанного пространства для повторного использования с помощью установки различных охранных конструкций.
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.
Практический опыт применения охранных конструкций для поддержания выработок показывает, что одним из проблемных ас-
пектов является 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 факторов, влияющих на устойчивость пород бермовой части выработок.
Анализ горно-геологических условий строительства повторно используемых выработок в Донбассе показывает, что породы бермовой части преимущественно сложены достаточно прочными песчаниками и сланцами крепостью /=6 — 8 и более. В то же время на расстоянии 0,2 -1,2 м от нижней грани пласта по породам почвы проходит 1 — 2 угольных про-пластка незначительной мощности, ко-
Рис. 1. Схема участка повторно используемой выработки
-—
р1^
Г H л к— —1 —
у
а I-2
1.175 ЫПл 115 1.125 1.1 1.075 1.05 1.025 1
0.975 0.95
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.Э
4 м
Рис. 2. Изменение параметра аотн на контуре кровли бермы по ее длине
1.125 1.1 1 075 1.05 1.025 1
0.975 0.95
i.im
О 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
к, м
Рис. 3. Изменение параметра аотн на контуре бока бермы по ее высоте
а 0 23 0 5 0 75 1 Ш 1 5 175 2 2 25 2 5 275 3.
к, м
Рис. 4. Изменение параметра иотн по контуру бока бермы по ее высоте
ВД
Ё 6.5 7 7.5 S 8.5 9 &5 10 10.5 11 11.5 12
F/F
LiJi* fpl
Рис. 5. Зависимость максимальных относительных напряжений в породах бермы от отношения Е/Епл
торые представляют собой локальные зоны ослабления, негативно влияющие на устойчивость бермы.
Для качественной и количественной оценки этого влияния выполнено математическое моделирование работы бермовой части выработок методом конечных элементов.
Рассмотрена стандартная выработка прямоугольного сечения площадью 15 м2, пройденная в песчаниках и по пласту угля мощностью 1 м.
К одной из боковых стенок выработки примыкало отработанное пространство лавы, образовывая породную берму высотой 2,0 м. На берму устанавливались по сетке 1,0x1,0 м охранные блоки объемом 0,35 м3 с приведенным модулем деформации Е = =1000 МПа.
При выполнении исследований с целью последующего сравнения рассмотрено два расчетных случая. В первом породы бермы приняты однородными. Во втором в породах бермы на расстоянии 0,4 м ниже верхней грани моделировалось залегание угольного пропластка мощностью 10 см. Схема участка представлена на рис. 1.
На основании схемы создана объемная конечно-элементная модель в программном комплексе «Лира» и произведен ряд расчетов модели в различных
условиях, в ходе которых определялись все компоненты объемного тензора напряжений и перемещений в конечных элементах и узлах модели. Далее вычислялись главные напряжения и эквивалентные напряжения в соответствии с критерием прочности Кулона-Мора, а также параметр Ёо-де-Надаи, характеризующий вид объемного напряженного состояния.
Анализ результатов расчета показал следующее.
В породах бермы штрека возникают значительные горизонтальные деформации и растягивающие напряжения, превышающие соответствующие величины в породах противоположного бока выработки в 3 — 3,5 раза и являющиеся причиной разрушения бермы.
Деформирующиеся вследствие смешения крови охранные конструкции оказывают значительное влияние на подстилающий породный слой бермы выработки, создавая периодическую неоднородность напряжений вдоль оси выработки и локальные концентрации напряжений.
Для оценки влияния угольного пропластка на напряженно-деформированное состояние основных пород бермы введен параметр аотн, определяемый как отношение максимальных эквивалентных напряжений в породах бермы, имеющих локальную зону ослабления, к соответствующим напряжениям в породах однородной бермы.
На рис. 2 представлен график изменения относительных напряжений на контуре верхней грани бермы по ее протяженности. Скачки напряжений соответствуют местам контакта бермы с охранными конструкциями. Анализ данных показывает, что наличие пропласт-ка приводит к увеличению напряжений в местах контакта в 1,12 — 1,18 раз.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
На рис. 3 показана динамика изменения параметра аотн на контуре бока бермы по мере увеличения ее высоты. В местах непосредственного контакта основных пород бермы с пропластком наблюдается увеличение интенсивности напряжений в 1,11 раза.
На рис. 4 представлен график изменения относительных горизонтальных смещений породного контура бока бермы. На высотной отметке пропласт-ка наблюдается пик увлечения интенсивности смещений равный иотн=1,17.
В результате расчета модели при различных прочностных и деформационных характеристиках пород бермы установлена тесная корреляционная связь между максимальной интенсивностью эквивалентных напряжений в породах бермы и отношением Е/Епл, где Е — модуль деформации основных пород; Епл — модуль деформации угольного пропластка. Данная зависимость представлена в виде графика на рис. 5 и имеет параболический характер.
Таким образом, проведенный анализ свидетельствует о том, что неоднородность пород бермы, обусловленная наличием угольного пропластка, приводит к существенному увеличению интенсивности напряжений и деформаций на контуре бермы и, соответственно, снижению ее устойчивости. Механизм управляющих воздействий по повышению устойчивости должен быть направлен на увеличение сопротивляемости пород растягивающим напряжениям, включение дополнительных конструктивных элементов, предотвращающих трещинообразова-ние и скол пород бермы, а также более обоснованный выбор схемы установки блоков по площади бермы, гтттт?
Насонов Александр Александрович — аспирант, e-mail mspleschko@rambler.ru, Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
