CC BY
1
ence. Energy security of Russia. New approaches to the development of the Russian coal industry. September 16-19. Kemerovo, 2008. pp. 157-160.
12. Fedorin V.A., Shakhmatov V.Ya., Klishin V.I. Proposals for the selection of geological sites for underground coal gasification and methane production in Kuzbass (on the example of the Leninsky district) // Scientific and technical journal "Equipment and technologies for the oil and gas complex". 2021. No. 3 (121). Moscow: Gubkin Publishing House, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NRU). pp. 79-84. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-3(123)-79-84.
УДК 622.831:624.046.2
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОХРАННЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НРС НА ИХ НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ
Н.Н. Малышева, В.Е. Нефёдов
Работа посвящена структурному моделированию охранного сооружения с распором, который достигается посредством использования невзрывчатого расширяющегося состава. Рассмотрено влияние параметров охранного сооружения на его несущую способность по этапам его нагружения.
Ключевые слова: охранное сооружение, распор, параметры, несущая способность, факторный анализ.
В [1] была доказана необходимость использования такого охранного сооружения, которое бы быстро включалось в работу. В качестве такого охранного сооружения была предложена тумба с распором (рис. 1, а, б), который достигается посредством использования невзрывчатого расширяющегося состава (НРС).
Для того чтобы определить эффективность тумбы, был рекомендован метод компьютерного моделирования взаимодействия предложенного охранного сооружения с вмещающими породами внутри участка массива, включающего выемочную транспортную выработку.
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем [2]. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т.н. вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты [3] затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат.
Перед определением модуля деформации охранного сооружения, который среди прочего является одним из исходных данных для численно-
го моделирования, была сделана оценка эффективности предлагаемых конструкций с помощью структурного моделирования.
а
б
к К Л- 2 -
Рис. 1. Способ охраны подготовительной выработки:
а - с эластичной оболочкой с НРС; б - с патроном с НРС;
1 - металлическая цилиндрическая обойма; 2 - порода;
3 - секционная эластичная оболочка; 4 - саморасширяющийся быстротвердеющий раствор
При моделировании предлагаемых конструкций охранного сооружения, а также контрольной без распорного элемента (рис. 2, а и 3, а) использовали как жесткую (рис. 2, б, в), так и податливую опалубку (рис. 3, б, в). В качестве жесткой опалубки использовали металлическую цилиндрическую обойму, в качестве податливой опалубки — стойки костровой крепи.
Условные обозначения к рис. 2 и 3: 1, 2 - верхняя и нижняя плита пресса, 3 - стальной лист, 4 - жесткая (податливая) опалубка, 5 - бумажная (тканевая) оболочка, 6 - НРС, 7 - порода, 8 - секундомер, 9 - линейка, 10 - манометр на прессе.
С помощью абсолютной деформации охранного сооружения (dHоп, м) и времени, в течение которого была приложена нагрузка
(, сутки) определяли относительную деформацию
dH.
V Ноп
оп О/
и предел
текучести охранного сооружения
V Ноп сутки.
Для каждого охранно-
го сооружения строили график зависимости прилагаемой нагрузки (^пресса,МПа) от относительной деформации охранного сооружения
(площадь под графиком - несущая способность), а также график зависимости предела текучести от прилагаемой нагрузки (Рпресса, Т / м2) (площадь
под графиком — импульс сопротивления разрушению).
опалубки
Рис. 2. Принципиальная схема модели с жесткой опалубкой: а - без НРС; б - с патроном с НРС; в - с эластичной оболочкой
с НРС
"опалубки
апплуВки '
иопа/1удкин "трубки"
Рис. 3. Принципиальная схема модели с податливой опалубкой: а - без НРС; б - с патроном с НРС; в - с эластичной оболочкой
с НРС
Результаты исследований представлены на рис. 4.
а
В)
5 10
Д)
'без патрона с НРС ~с патронам с НРС ]
§ % | £
II
О
г)
с оболочкой с НРС
200
МО
е)
Рлреао-т//м 600
Г ■ V \
<ии/кгти £. пгс \
1 / /; \
1 \
к
1 ■/
пресса-
600
~Рпрессо'т/м
Тоо
Рис. 4. Результаты эксперимента: а, в, д - несущая способность охранного сооружения; б, г, е - импульс сопротивления разрушению
охранного сооружения
Анализ результатов позволил сделать следующие выводы:
1) при использовании жесткой опалубки:
- распорный элемент внутри охранного сооружения увеличивает несущую способность в 1,42 раза (рис. 4, а), импульс сопротивления разрушению - в 1,45 раза, давление, с которого начинается течение охранного сооружения под нагрузкой в 7,5 раз (рис. 4, б);
- распорный элемент сверху охранного сооружения увеличивает несущую способность в 1,96 раза (рис. 4, в), импульс сопротивления разрушению - в 1,62 раза, давление, с которого начинается течение охранного сооружения под нагрузкой в 31,2 раза (рис. 4, г);
2) при использовании податливой опалубки:
- распорный элемент внутри охранного сооружения уменьшает несущую способность в 12,15 раза (рис. 4, д), увеличивает импульс сопротивления разрушению - в 1,03 раза и давление, с которого начинается течение охранного сооружения под нагрузкой в 1,13 раз (рис. 4, е).
- распорный элемент сверху охранного сооружения после срабатывания НРС раздвигает стойки костровой крепи.
Проведенные исследования позволили отсеять бесперспективную конструкцию охранного сооружения с податливой опалубкой и распорным элементом сверху и выделить наиболее эффективную - с жесткой опалубкой и распорным элементом сверху охранного сооружения. Однако не был решен вопрос о влиянии параметров охранного сооружения на его несущую способность.
В связи с этим целью настоящей работы явилось определение влияния параметров охранных сооружений с использованием НРС на их несущую способность.
Объект исследования - охранное сооружение с распором, который достигается посредством использования НРС.
Предмет исследования - характер и степень влияния параметров охранного сооружения на его несущую способность по этапам его нагру-жения.
Задачи исследования:
- выбор параметров модели для варьирования;
- составление плана эксперимента;
- осуществление эксперимента;
- деление диапазона давлений, которое испытывает охранное сооружение, на этапы и определение границ этапов;
- проведение факторного анализа для каждого этапа;
- определение характера и степени влияния каждого параметра охранного сооружения на его несущую способность для каждого этапа;
- разработка рекомендаций по рационализации параметров охранного сооружения.
Для того чтобы изучить и сравнить поведение охранного сооружения без НРС, с патроном с НРС, с эластичной оболочкой с НРС при разных значениях параметров входящих в их состав элементов были проведены 5 серий экспериментов (по одной серии для каждой конструкции охранного сооружения).
Параметрами, которые изменяли в ходе каждой серии экспериментов, были: высота опалубки - Н оп; диаметр опалубки - ^оп; диаметр породы - dпOр; количество НРС (только для охранных сооружений с распорным элементом) - dпат.
Для того чтобы определить влияние места расположения распорного элемента использовали одинаковое количество НРС как в патроне, так и в эластичной оболочке. Кроме того это позволило для разных конструкций охранных сооружений с распорным элементом использовать одинаковое обозначение количества НРС, которое определялось диметром трубки-патрона - dпат.
Для того чтобы достигнуть максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов для каждой серии экспериментов был составлен план эксперимента с использованием метода латинских кубов, при этом применяли метод Монте-Карло, для того чтобы случайным образом задать как количество пар чисел, которые нужно обменять, так и места их расположения (т. е. номера строк) [4 - 9].
Определение степени и характера влияния параметров охранного сооружения без НРС, с патроном с НРС, с эластичной оболочкой с НРС на его относительную деформацию (и = dHоп / Н) осуществляли факторным анализом на временных рядах.
Для этого результаты эксперимента разделили на две части: в одну часть входили значения давлений, воспринимаемых моделью в начале шага нагружения (верхняя ветка), в другую — в конце шага нагружения (нижняя ветка). Каждую часть обрабатывали отдельно.
Затем весь диапазон давлений, воспринимаемой данной конфигурацией модели за 30 шагов нагружения, делили на 10 отрезков-этапов. Поскольку жесткость разных конфигурации моделей (с податливой или жесткой опалубкой, с или без распорного элемента) была разная, то и диапазон давлений, и границы этапов были разными. Например, для модели с жесткой опалубкой без НРС границы этапов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Границы этапов
Границы этапа
Ветка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Модель с жесткой опалубкой без НРС
0,003- 0,230- 0,45- 0,685- 0,912- 1,140- 1,367- 1,594- 1,822- 2,05-
верх 0,230 0,458 0,685 0,912 1,140 1,367 1,594 1,822 2,049 2,276
МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа
0,023- 0,229- 0,435- 0,641- 0,847- 1,053- 1,259- 1,465- 1,671- 1,88-
низ 0,229 0,435 0,641 0,847 1,053 1,259 1,465 1,671 1,877 2,083
МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа
На каждом этапе факторный анализ осуществляли следующим образом. Для факторного анализа в качестве независимых переменных использовали как параметры «в чистом виде», так и их сочетания. Сочетания создавали путем отношения только метрических параметров. Например, для модели с распорным элементом это были следующие наборы параметров и их сочетаний: L Г>оп , Ноп , ¿пор , dпат , Р ; 2 £>оп , Ноп , dпорр / dпат ,Р ^ и
т. д.
В программной среде Statistica 5.0 с помощью модуля Multiple Regression определяли, какой набор параметров или (и) их сочетаний даст
наибольший коэффициент детерминации. Например, для модели с жесткой опалубкой и патроном с НРС для верхней ветки и первого этапа нагруже-ния наибольшим коэффициентом детерминации обладал набор параметров:
d о
Аоп, dпор,Нт'Р - К = 0,859.
Н оп
Для сравнения, набор с параметрами «в чистом виде» имел коэффициент детерминации
^оп,Ноп, dпор, dпат,Р Я = 0,843 .
Для набора с наибольшим коэффициентом детерминации и для набора с параметрами «в чистом виде» производили пошаговый отбор переменных.
Для этого находили наиболее информативный в смысле коэффициента детерминации параметр, затем пару, тройку, четверку параметров. Фиксировали возрастает или нет коэффициент детерминации, критерий Фишера, уменьшается или нет уровень значимости, стандартная ошибка оценки. Используя эти критерии, судили о значимости параметра. Например, для модели с жесткой опалубкой и патроном с НРС для верхней ветки, первого этапа нагружения и набора с параметрами «в чистом виде»:
наиболее информативным параметром было давление
Р (Я = 0,68,
Р = 40,32 и ^крит = 1,19, т. е. критерий Фишера больше чем в 4 раза своего
критического значения, р = 0 при р = 0,05, т. е. меньше заданного уровня значимости, в = 0,388). Наиболее информативной парой были давление Р и диаметр породы dпOр. Присоединение второго параметра увеличило коэффициент детерминации до Я = 0,782, критерий Фишера был, по-прежнему, больше чем в 4 раза своего критического значения (^крит = 2,17, Р = 30,5), уровень значимости был, по-прежнему, меньше
заданного (р = 0 при р = 0,05) и стандартная ошибка оценки уменьшилась до в = 0,331. Наиболее информативной тройкой были давление Р, диаметр породы dпOр, диаметр опалубки Боп. Присоединение третьего параметра
увеличило коэффициент детерминации до
Я = 0,83,
критерий Фишера
был, по-прежнему, больше чем в 4 раза своего критического значения (^крит = 3,16, Р = 26,13), уровень значимости был, по-прежнему, меньше
заданного (р = 0 при р = 0,05) и стандартная ошибка оценки уменьшилась до в = 0,301. Четверкой — Р, dпOр, Ооп и высота опалубки Ноп. Коэффициент детерминации увеличился до Я = 0,86, критерий Фишера был, по-прежнему, больше чем в 4 раза своего критического значения
(^крит = 4,15, Р = 22,96), уровень значимости был, по-прежнему, меньше заданного (р = 0 при р = 0,05) и стандартная ошибка оценки уменьшилась до в = 0,283. Присоединение последнего параметра диаметра патрона-
трубки dпат уменьшило коэффициент детерминации до Я = 0,844, критерий Фишера до Р = 16,18 при Ркрит = 5,15, повысило уровень значимости
до р = 0,00001 и стандартную ошибку оценки до в = 0,305. Из чего можно было сделать вывод о том, что последний параметр не влияет на зависимую переменную.
Для сравнения, в наборе параметров с наибольшим коэффициентом детерминации независимые переменные по степени их влияния на зависимую переменную были расположены в следующем порядке (табл. 2).
Таблица 2
Результаты оценивания
Параметры Я 2 Р 1 крит Р р в
Р 0,68 1,19 40,316 0 0,388
Р, ^оп 0,776 2,17 29,448 0 0,336
Р , Поп , ^ор 0,83 3,16 26,131 0 0,301
Р п d ^ат 1 ' ^ош "пор' Н Н оп 0,859 4,15 22,887 0 0,283
Из табл. 2 следует, что все параметры, в том числе и dпат (только потому, что он вошел в отношение dпат / Ноп) значимы. Кроме того, разница коэффициентов детерминации для двух наборов, если учитывать только значимые параметры, незначительная (АЯ = 0,860 - 0,859 = 0,001 = 0,1%)
и указывает на преимущество использования набора параметров «в чистом виде».
Для удобства сравнения степени влияния параметров на разных этапах нагружения необходимо было иметь один вид набора параметров. Для того чтобы прийти к одному виду определяли существенна ли разница между набором параметров с наибольшим коэффициентом детерминации и набором параметров «в чистом виде». Разница оказалась не существенной и составила 0,005... 2,743 %.
Для того чтобы оценить насколько хорошо используемые параметры описывают поведение зависимой переменной при наборе параметров «в чистом виде», для каждой модели был построен график зависимости
2
доли объясненной всеми параметрами дисперсии () от номера этапа (рис. 5, а, б).
а б
ветки; 1, 2, 3 - модель с жесткой опалубкой без НРС, с патроном с НРС, с оболочкой с НРС соответственно; 4, 5 - модель с податливой опалубкой без НРС и с патроном с НРС соответственно
Для наборов параметров «в чистом виде» для каждого этапа нагру-жения только для значимых параметров был этапа (рис. 6, 7), которые показывали степень влияния параметра на зависимую переменную по этапам нагружения. Кроме того, принимая во внимание, что угловой коэффициент (В) пропорционален выборочному коэффициенту корреляции и имеет с ним один и тот же знак, были построены графики зависимостей угловых коэффициентов при каждом значимом параметре (В) от номера этапа (рис. 8, 9), которые показывали характер влияния параметра на зависимую переменную по этапам нагружения.
Анализ графиков на рис. 6 - 9 позволяет сделать следующие выводы.
В модели с жесткой опалубкой без НРС для верхней ветки все рассматриваемые параметры на всех этапах нагружения значимы. Они описывают очень высокую долю объясненной дисперсии, значения которой находятся в пределах 91... 99,94 % и изменяются плавно от этапа к этапу.
В этой же модели для нижней ветки все рассматриваемые параметры на всех этапах нагружения значимы, кроме диаметра породы на этапе 8 нагружения. Они описывают от высокой до очень высокой доли объясненной дисперсии, значения которой находятся в пределах 88,20.99,19 % и изменяются плавно, как и в верхней ветке.
Увеличение таких параметров, как диаметр опалубки, диаметр породы и давление, ведет к увеличению зависимой переменной, увеличение высоты опалубки - к уменьшению. Такой характер влияния параметров на зависимую переменную сохраняется на всех этапах нагружения, как для верхней, так и для нижней ветки.
В модели с жесткой опалубкой с патроном с НРС для верхней ветки диаметр патрона-трубки с НРС не оказывает никакого воздействия на зависимую переменную ни на одном из шагов нагружения. Только два параметра высота и диаметр опалубки значимы на всех этапах нагружения.
а б
дисперсии от номера этапа для верхней ветки: а, б, в - модель с жесткой опалубкой без НРС, с патроном с НРС и с оболочкой с НРС соответственно; г, д - модель с податливой опалубкой без НРС и с патроном с НРС соответственно
Из двух оставшихся параметров только давление непрерывно значимо на первых семи этапах. Диаметр породы оказывает влияние на зависимую переменную лишь на первом и последних четырех этапах нагруже-
ния. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от высокой до очень высокой, но ниже чем у модели с жесткой опалубкой без НРС, находится в пределах 85,96.94,72 % и изменяется плавно, но с небольшим снижением на этапе 7. Оценка степени влияния каждого параметра на независимую переменную показала, что границей исключения параметра из значимых параметров является доля объясненной дисперсии равная или ниже 0,62 %.
а б
дисперсии от номера этапа для нижней ветки: а, б, в - модель с жесткой опалубкой без НРС, с патроном с НРС и с оболочкой с НРС соответственно; г, д - модель с податливой опалубкой без НРС и с патроном с НРС соответственно
В этой же модели для нижней ветки диаметр патрона-трубки с НРС также не оказывает никакого воздействия на зависимую переменную ни на одном из шагов нагружения. Значимость высоты и диаметра опалубки на всех этапах нагружения сохраняется. Количество этапов, на которых давление непрерывно, а диаметр породы прерывно значимы, возрастает до восьми для каждого из параметров. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от высокой до очень высокой, она выше, чем у верхней ветки на этапах 1-6, 8 и ниже на 7, 9, 10, находится в пределах 88,88...94,40 % и изменяется плавно, но с небольшим снижением на этапах 2 и 7. Граница исключения параметра - 0,40 %.
в
г
д
в
15
го
0.5' О -0,5 -10 -15
* * Цяр * ^дя 1 1 I I 1111 1111 1111 . // 1 'пресен 1 1 1 1 А
"****" 1 Т \ 1 ^ 1 X,-
рх/" 1 / | \ 5 £ 1 V— ——>-—-1/Л1 1 1 К 1111 ^ 1111 7 / 9 7 Ю и.—у /Я 1 /1 1 / 1 1 1 1 1
Рис. 8. График зависимости углового коэффициента при каждом значимом параметре от номера этапа для верхней ветки: а, б, в -модель с жесткой опалубкой без НРС, с патроном с НРС и с оболочкой с НРС соответственно; г, д - модель с податливой опалубкой без НРС и с патроном с НРС соответственно
В отличие от предыдущей модели характер влияния такого параметра, как диаметр породы, на зависимую переменную на первых этапах меняется на противоположный. Для верхней ветки на первом, для нижней - на первом и втором этапе увеличение диаметра породы ведет к уменьшению зависимой переменной.
В отличие от предыдущей модели, в модели с жесткой опалубкой с эластичной оболочкой с НРС для верхней ветки количество НРС в эластичной оболочке - значимый параметр на всех этапах нагружения. Кроме этого параметра на всех этапах значимы давление и диаметр опалубки. Впервые высота опалубки незначима, но только на первом этапе; диаметр породы прерывно значим всего лишь на трех этапах - 3, 4, 10; границы исключения параметра нет, поскольку диапазоны, в которых находятся доли объясненной дисперсии для значимых и незначимых параметров, перекрываются. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от высокой до очень высокой (80,33.99,53 %), такая, что даже на третьем этапе превышают долю объясненной дисперсии первых двух моделей, и на шести (этапах 3-8) - долю объясненной дисперсии предыдущей модели. Она изменяется, как для верхней, так и для нижней ветки, менее плавно, чем у предыдущей модели.
Для нижней, как и для верхней ветки, количество НРС в эластичной оболочке и диаметр опалубки значимы на всех этапах нагружения, диаметр породы на трех - 2, 4, 10. Только высота опалубки с давлением поменялись ролями: теперь высота опалубки значима на всех этапах, а давление не значимо на этапе 9. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, еще выше, чем у верхней ветки (92,55.99,20 %). Количество этапов, на которых она превышают долю объясненной дисперсии первых двух моделей, возрастает до трех (этапы 1, 2, 3). Количество этапов, на которых она превышают долю объясненной дисперсии предыдущей модели, уменьшается до одного - последнего этапа. Граница исключения параметра - 0,53 %. Как и в предыдущей модели, характер влияния диаметра породы на зависимую переменную непостоянен. Для верхней ветки - на этапе 3 и 4, для нижней - на 2 и 4, увеличение диаметра породы ведет к уменьшению зависимой переменной. На последнем этапе для обеих веток увеличение диаметра породы ведет к увеличению зависимой переменной. Увеличение появившегося дополнительного значимого параметра (диаметра трубки) ведет к уменьшению зависимой переменной. Характер влияния данного параметра сохраняется на всех этапах.
В отличие от предыдущих моделей, в модели с податливой опалубкой без НРС для верхней ветки единственным значимым параметром на всех этапах нагружения является высота опалубки. Каждый из оставшихся параметров прерывно значим на половине этапов. Диаметр опалубки - на 2, 3, 5, 9, 10; диаметр породы - на 1, 7, 8, 9, 10; давление - на 1, 2, 3, 4, 9.
Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от высокой до очень высокой (76,53.99,98 %), но поскольку характер её изменения становится скачкообразным, то на всех, кроме двух этапов, она ниже, чем у предыдущих моделей, и только на втором этапе -выше, чем у моделей с жесткой опалубкой и распорным элементом, и на девятом - выше, чем у всех предыдущих моделей.
а
б
в
го
15 го
0,5-
в
г
1 1 ---— т ' щтя I I I I I I
^ 1 1 1 1 1 1 —1—- 1 - ----•- I I -1 . этап.
1 -3—- 5 6 7 8 9 10
д
Рис. 9. График зависимости углового коэффициента при каждом значимом параметре от номера этапа для нижней ветки: а, б, в -модель с жесткой опалубкой без НРС, с патроном с НРС и с оболочкой с НРС соответственно; г, д - модель с податливой опалубкой без НРС и с патроном с НРС соответственно
Для нижней ветки изменилось только количество этапов, на которых значим диаметр породы, до четырех - 1, 7, 9, 10. Доля объясненной
дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от высокой до очень высокой (75,55.99,34 %), но поскольку характер её изменения такой же, как и у верхней ветки, то на всех, кроме последнего этапа, она ниже, чем у предыдущих моделей, а на последнем — выше.
Граница исключения параметра как для верхней, так и для нижней ветки отсутствует.
В данной модели, по сравнению с предыдущими, сильно меняется характер влияния параметров на зависимую переменную. Здесь увеличение диаметра породы на всех этапах ведет к уменьшению зависимой переменной. Характер влияния диаметра опалубки на зависимую переменную непостоянен. Для верхней ветки для первых трех, для нижней - для первых двух этапов, на которых параметр значим, увеличение диаметра опалубки ведет к уменьшению зависимой переменной, а для последних двух (для верхней) и трех этапов (для нижней ветки), - к уменьшению зависимой переменной. Характер влияния высоты опалубки меняется на противоположный: увеличение высоты опалубки ведет к увеличению зависимой переменной. Единственный параметр, характер влияния которого остался неизменным, таким же, как и в предыдущих моделях, - давление.
В последней модели с податливой опалубкой с патроном с НРС в отличие от предыдущих моделей нет ни одного параметра значимого на всех этапах нагружения. Все параметры прерывно значимы. Три параметра (диаметр трубки, высота опалубки, давление) - на половине этапов, еще два (диаметр опалубки, диаметр породы) - на четырех. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от слабой до очень высокой (40,41.100,00 %), и, по сравнению с предыдущей моделью, отличается ещё более резким характером изменения. Она имеет четыре пика, на трех из которых (этап 4, 7, 9) она выше, чем у предыдущих моделей, и на одном (этап 2) выше, чем у моделей с жесткой опалубкой и распорным элементом. Она имеет также четыре спада, на которых она ниже, чем у всех предыдущих моделей.
Для нижней ветки количество этапов, на которых параметр значим, сохраняется только для диаметра и высоты опалубки. Для диаметра породы и давления количество этапов возрастает до пяти и шести соответственно, для диаметра трубки уменьшается до двух. Доля объясненной дисперсии, которую описывают рассматриваемые параметры, от средней до очень высокой (61,07.100,00 %), характер её изменения такой же, как и у верхней ветки. Единственная разница состоит в уменьшении количества этапов (этап 4, 8, 9) на которых она выше, чем у предыдущих моделей.
Границы исключения параметра, как и в предыдущей модели, нет.
Как и в предыдущей модели, характер влияния давления на зависимую переменную сохраняется. Характер влияния диаметра породы и диаметра опалубки претерпевает изменения: увеличение диаметра породы на
4 этапе верхней ветки и увеличение диаметра опалубки на 6 этапе нижней ветки приводит к увеличению независимой переменной. Увеличение диаметра опалубки только на первом этапе верхней ветки ведет к уменьшению зависимой переменной. Характер влияния диаметра трубки для верхней и нижней ветки различен. Для нижней ветки - увеличение диаметра трубки ведет к уменьшению зависимой переменной на всех этапах, для верхней -только на последних двух, на которых данный параметр значим.
После сравнения моделей становится очевидным следующее.
Когда доля дисперсии, объясненная давлением, выше всех остальных параметров, то в модели имеется некоторое количество пустого пространства, в которое движется порода. Если при этом диаметр породы -значимый параметр, то - это движение материала, состоящего из отдель-ностей, величина которых имеет значение, если нет - отдельные куски породы пришли в зацепление, и смещаются единым блоком (слоем).
Если же давление - незначимый параметр, то происходит течение материала модели под нагрузкой.
Доля дисперсии, объясненная линейными размерами опалубки, указывает направление движения материала. Высота опалубки отвечает за вертикальное, диаметр - за радиальное направление. Если оба параметра значимы, то движение происходит в обоих направлениях, и больше в том, в котором доля объясненной параметром дисперсии больше. Если только один параметр значим, то движение - однонаправленное.
Когда доля дисперсии, объясненная рассматриваемыми параметрами, становится очень низкой, а все параметры - незначимыми (как в моделях с податливой опалубкой), элементы модели получают новую степень свободы (в виде деформации опалубки за пределом упругости), изменение которой нельзя описать ни одним из рассматриваемых параметров, поскольку они не учитывают податливость опалубки.
Изменение степени значимости или характера влияния на зависимую переменную одного и того же параметра от модели к модели указывает на то, что в модели появился элемент, изменивший значимость или направление влияния параметра.
Так, например, использование распорного элемента внутри модели с жесткой оболочкой привело к изменению значимости и характера влияния на зависимый переменный диаметр породы: в модели без распорного элемента (при наличии пустот) диаметр породы играет большую роль, по сравнению с моделью с распорным элементом внутри (где пустот меньше), и очень небольшую, в модели с распорным элементом на поверхности породы (где пустот почти нет). Увеличение диаметра породы в первой модели ведет к увеличению зависимой переменной, во второй - к увеличению, но только на последних этапах, в третьей - к уменьшению зависимой переменной.
Вторым примером может служить изменение места расположения распорного элемента в модели с жесткой опалубкой, которое повлекло за собой изменение значимости этого элемента: для модели с расположением распорного элемента внутри породы сам распорный элемент не оказывает никакого влияния на зависимую переменную, размещение же его на поверхности породы привело к уменьшению зависимой переменной. Кроме того, это повлекло за собой изменение степени значимости диаметра опалубки: для модели с расположением распорного элемента внутри породы смещения происходили преимущественно в вертикальном направлении, размещение же его на поверхности породы привело к изменению направления смещения. Теперь смещения происходили преимущественно в радиальном направлении.
Третьим примером может служить изменение жесткости опалубки в модели без НРС, которое привело к изменению характера влияния высоты опалубки и диаметра породы: для модели с жесткой опалубкой увеличение её высоты и уменьшение диаметра породы вело к уменьшению зависимой переменной, с податливой - к увеличению.
Изменение степени значимости или характера влияния одного и того же параметра на зависимую переменную от этапа к этапу внутри одной модели, говорит о том, что между этапами существует некая критическая точка, пересекая которую, сталкиваемся с новым характером отношений элементов системы.
Такими мини-критическими точками для модели с жесткой опалубкой без НРС являются этапы, на которых направление движения породы внутри модели меняется с преимущественно вертикального на преимущественно радиальный (верхняя ветка - этап 6, нижняя - этап 3,5), и наоборот.
Для модели с жесткой опалубкой и патроном с НРС такой критической точкой является этап 3 для верхней ветки и 2 - для нижней, на которой происходит разрушение патрона, после чего порода с разрушенным патроном смещается преимущественно в вертикальном направлении.
Таким образом, было принято решение не проводить регрессионный анализ для модели такой конфигурации.
Для модели с жесткой опалубкой и эластичной оболочкой с НРС -этап 3 для верхней ветки и 2 - для нижней, на которой происходит до-уплотнение элементов внутри опалубки, после чего давление становится незначимым параметром и начинается течение материала модели под нагрузкой.
Для модели с податливой опалубкой без НРС такими критическими точками являются этап 8 для верхней и 9 - для нижней ветки, на которых, после длительного течения конструкции под нагрузкой в вертикальном направлении, изменяется характер влияния диаметра опалубки на зависимую переменную. На первых этапах модель с большим диаметром имела
большую устойчивость и меньшую податливость, теперь же наоборот: увеличение диаметра опалубки влечет за собой увеличение зависимой переменной.
Для модели с податливой опалубкой введение в конструкцию патрона с НРС уменьшает пустоты. Порода, не имея возможности смещаться внутри опалубки, начинает деформировать её, что ведет к приближению момента, на котором происходит разрушение отдельных её элементов. Такими моментами являются этапы 3, 6, 8, 10 для верхней и нижней ветки. Перед этими этапами характер влияния высоты опалубки, становится таким же, как и в модели с жесткой опалубкой. Кроме того, это приводит к изменению характера влияния диаметра опалубки на зависимую переменную. До этих этапов увеличение диаметра опалубки вело к уменьшению зависимой переменной, после них - к увеличению.
Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. В результате факторного анализа при разделении всего диапазона давлений, воспринимаемых конструкцией, по шагам нагружения было установлено, что конструкция охранного сооружения и этап её нагружения оказывают существенное воздействие на степень и характер влияния на относительную деформацию конструкции (и = dHОП / НОП) таких параметров, как высота (Ноп) и диаметр опалубки (£)оп), диаметр породы внутри опалубки (dпOр), количество НРС внутри распорного элемента
(dпaт), давление, прикладываемое к конструкции (Р).
2. Использование в конструкции охранного сооружения с податливой опалубкой распорного элемента неэффективно. Если в качестве распорного элемента применяют эластичную оболочку с НРС, то после срабатывания НРС она увеличивается в размерах и сдвигает стойки костровой крепи. Если же распорным элементом служит патрон с НРС, то после срабатывания НРС уменьшаются пустоты внутри опалубки. Порода, не имея возможности смещаться внутри опалубки, начинает деформировать её, что ведет к приближению момента, на котором происходит разрушение отдельных её элементов.
3. Использование в конструкции охранного сооружения с жесткой опалубкой патрона с НРС неэффективно в том случае, если в качестве НРС используется смесь НРВ-80 с водой, поскольку на этапе 3 для верхней ветки и на этапе 2 - для нижней происходит разрушение патрона, после чего порода с разрушенным патроном смещается преимущественно в вертикальном направлении. Для того чтобы повысить эффективность использования патрона с НРС в конструкции охранного сооружения с жесткой опалубкой необходимо использовать такое НРС, которое после срабатывания не разрушалось бы от давления, прилагаемого к конструкции.
Список литературы
1. Малышева Н. Н. Обоснование параметров конструкции охранного сооружения в подготовительных выработках: дисс. ... канд. техн. наук: Донецк, 2021. 261 с.
2. Численные исследования пучения почвы штреков при применении разгрузочных щелей на шахте «Талдинская-Западная 2» / О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, А.А. Ильинец, В.Ф. Васильев // Известия Тульского государственноо университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 3. С. 171-178.
3. К оценке устойчивости кровли выработок при различных схемах рамно-анкерного крепления / Ю.М. Погудин [и др.]. ГИАБ. М.: «Горная книга», 2006. Вып. 12. С. 275-277.
4. Оценка напряженно-деформированного состояния крепи вертикальных стволов при замене тюбинговых сегментов / Н.М. Качурин, В.В. Мельник, Р.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 4. С. 238-244.
5. Напряженно-деформированное состояние горного массива и крепи при строительстве подземных сооружений / Н.М. Качурин, Е.И. Захаров, Д.А. Соловьев, Р.А. Соловьев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. № 1. С. 355-362.
6. Взаимодействия вертикальных стволов с породными массивами при восстановлении крепи и армировки / Н.М. Качурин, И.А. Афанасьев, В.С. Пестрикова, П.П. Стась // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. № 3. С. 290-303.
7. Повышение эффективности действия скважинных зарядов при разрушении горных пород взрывом / В.И. Комащенко, В.А. Атрушкевич, Н.М. Качурин, Г.В. Стась // Устойчивое развитие горных территорий. 2019. Т. 11. № 2 (40). С. 191-198.
8. Рыльникова М.В. Условия и принципы устойчивого развития горнодобывающих предприятий в период повышенных рисков и глобальных вызовов // Горная промышленность. 2022. № 3. С. 69-73.
9. Рыльникова М.В. Развитие горных наук и технический прогресс -основа снижения рисков при комплексном освоении недр // Комбинированная геотехнология: риски и глобальные вызовы при освоении и сохранении недр. 2021. С. 19-21.
Малышева Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Нефёдов Валентин Евгеньевич, ассистент, [email protected], Россия, Донецк, Донецкий национальный технический университет
INFLUENCE OF PARAMETERS OF PILLAR BEHIND THE LONGWALL FACE USING NEC ON THEIR LOAD-BEARING CAPACITY
N.N. Malysheva, V.E. Nefedov
The work is devoted to the structural modeling of a pillar behind the longwall face with a spacer, which is achieved through the use of a non-explosive expanding composition. The influence of the parameters of the pillar behind the longwall face on its load-bearing capacity at the stages of its loading is considered.
Key words: pillar behind the longwall face, spacer, parameters, bearing capacity, factor analysis.
Malysheva Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, assoc., malyshe-va_natala@,mail.ru, Russia, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Nefedov Valentin Evgenievich, assistant, [email protected] , Russia, Donetsk, Donetsk National Technical University
Reference
1. Malysheva N. N. Substantiation of the design parameters of a security structure in preparatory workings: dissertation ... Candidate of Technical Sciences: Donetsk, 2021. 261 p.
2. Numerical studies of soil heaving of drifts when using unloading slots at the Taldinskaya-Zapadnaya 2 mine / O.I. Kazanin, A.A. Sidorenko, A.A. Ilyinets, V.F. Vasiliev // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2018. Issue 3. pp. 171-178.
3. To assess the stability of the roof of workings under various schemes of frame-anchor fastening / Yu.M. Pogudin [et al.]. GIAB. M.: "Mining book", 2006. Issue. 12. Pp. 275-277.
4. Assessment of the stress-strain state of vertical trunk supports when replacing tubing segments / N.M. Kachurin, V.V. Melnik, R.A. Solovyov, D.A. Solovyov // Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Technical sciences. 2023. No. 4. pp. 238-244.
5. The stress-strain state of the mountain range and supports during the construction of underground structures / N.M. Kachurin, E.I. Zakharov, D.A. Solovyov, R.A. Solovyov // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2022. No. 1. pp. 355-362.
6. Interactions of vertical trunks with rock formations during the restoration of support and reinforcement / N.M. Kachurin, I.A. Afanasiev, V.S. Pestrikova, P.P. Stas // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2020. No. 3. pp. 290-303.
7. Improving the efficiency of borehole charges in the destruction of rocks by explosion / V.I. Komashchenko, V.A. Atrushke-hiv, N.M. Kachurin, G.V. Stas // Sustainable development of mountain territories. 2019. Vol. 11. No. 2 (40). Pp. 191-198.
8. Rylnikova M.V. Conditions and principles of sustainable development of mining enterprises in the period of increased risks and global challenges // Mining industry. 2022. No. 3. pp. 69-73.
9. Rylnikova M.V. Development of mining sciences and technical progress - the basis for reducing risks in complex development of subsurface resources // Combined geotech-nology: risks and global challenges in the development and conservation of subsurface resources. 2021. pp. 19-21.
