CC BY
1к.т.н. Касьян С. И., к.т.н. Кизияров О. Л.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР, [email protected], [email protected])
ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ РАЗГРУЗОЧНОЙ ПОЛОСЫ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД ВОКРУГ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ
ВЫРАБОТКИ
С помощью компьютерного моделирования изучено влияние ширины разгрузочной полосы на напряженное состояние массива пород в зависимости от расстояния до линии очистного забоя.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, компьютерное моделирование, разгрузочная полоса, подготовительная выработка.
УДК 622.831.3
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Опорное горное давление оказывает значительное влияние на характер и эффективность управления кровлей очистных забоев, способы и параметры крепления очистных и подготовительных выработок. Обеспечение устойчивости выработок в зоне опорного давления - одна из важнейших задач в работе шахт [1]. По характеру изменений опорного горного давления различают такие зоны: динамического проявления опорного горного давления; затухания динамических проявлений опорного горного давления; статического или псевдостатического состояния опорного горного давления [2]. По причине столь сложного характера изменения опорного давления главной задачей исследования является определение механизма поведения кровли вокруг выработки под влиянием очистных работ [3] и, как результат, разработка практических рекомендаций по повышению устойчивости подготовительных выработок.
Устойчивость выработок, проводимых в выработанном пространстве на угольных шахтах, во многом зависит от напряженно-деформированного состояния окружающих горных пород. Поэтому натурные наблюдения за характером и степенью трещинной раздробленности кровли способствуют как расширению представления о механизме ее разрушения под влиянием
горного давления, так и совершенствованию модели кинетики смещений трещиноватых пород вокруг выработок [4]. Кроме того, можно отметить и особое влияние очистного забоя на опорное давление [5], где впереди очистного фронта по мере приближения к забою, начиная с расстояния 30 м, оно резко возрастает и достигает своего пика в 1-6 м от забоя лавы.
Существует множество изученных технологических факторов, влияющих на горное давление, начиная от скорости под-вигания линии очистного забоя (ЛОЗ) [6, 7] до выбранного способа охраны [2] и отработки спаренных лав, в условиях которых необходимо учитывать оптимальное расстояние между ними для обеспечения минимальной и стабильной нагрузки на крепь промежуточного штрека [8].
В результате анализа литературных источников установлено, что существующие технологические факторы, влияющие на опорное давление, изучены недостаточно и такой фактор, как ширина разгрузочной полосы, может оказать существенное влияние на состояние подготовительной выработки, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.
Постановка задачи. Целью настоящей работы является изучение влияния ширины разгрузочной полосы на напряженно-деформированное состояние пород в ее окрестности. Задачей является изучение зон потери устойчивости и концентрации
вертикальных, горизонтальных и эквивалентных напряжений в зависимости от расстояния до линии очистного забоя и варианта выемки угольного пласта от выработки на длину до 2 м в сторону нетронутого массива.
Изложение материала и его результаты. Формирование разгрузочной полосы (выемка угольного пласта в сторону нетронутого массива от выработки) позволяет сместить зону опорного давления в глубь массива, тем самым повысить устойчивость выработки, что создает предпосылки повторного использования выработки для отработки следующего выемочного столба. Для исследования составлены задачи с помощью ПК «Лира», в которых моделировался выемочный столб, оконтуренный подготовительными выработками, и очистной забой длиной 200 метров. Задача №1 (исходная модель) рассчитана без влияния выемки угольного пласта (без разгрузочной полосы); задача №2 - аналогичные условия и дополнительно со стороны массива формируется разгрузочная полоса шириной 1 м; задача №3 - аналогичные условия и дополнительно со стороны массива формируется разгрузочная полоса шириной 2 м. В образованной полости (задача №2 и №3) возводится деревянный костер.
По результатам рассчитанных задач анализировались вертикальные, горизонтальные (вдоль линии очистного забоя) и эквивалентные напряжения в окрестности подготовительной выработки, охраняемой тумбами БЖБТ с целью повторного использования. Контрольными точками для исследования считались сечения подготовительной выработки на расстоянии 60 м впереди ЛОЗ (зона установившегося опорного давления), 1 м впереди ЛОЗ (максимум зоны опорного давления), 5 м за ЛОЗ (за секциями механизированной крепи), 80 м за ЛОЗ (в выработанном пространстве).
При рассмотрении горизонтальных напряжений впереди ЛОЗ задачи №1 со стороны разгрузочной полосы (1 м от выработки) наблюдается концентрация сжимающих напряжений. При выемке угля на
глубину 1 м и установке костров концентрация напряжений переносится на расстояние 1,5 м от выработки, а при ширине разгрузочной полосы 2 м концентрация смещается на глубину до 2,5 м.
При изучении вертикальных напряжений на расстоянии 60 м впереди очистного забоя установлено, что с увеличением ширины вынимаемой полосы угольного пласта максимум опорного давления смещается в глубь массива на ширину полосы (рис. 1). Согласно анализу эквивалентных напряжений можно сделать аналогичный вывод о смещении концентрации сжимающих напряжений в глубь массива и в почве угольного пласта.
На расстоянии 1 м впереди от ЛОЗ величина горизонтальных напряжений и область их действия при ширине разгрузочной полосы 1 м увеличилась на 3 %, но при ширине полосы 2 м картина изополей горизонтальных напряжений изменяется существенно: размер области действия уменьшается на 27 %. Высота зоны влияния концентрации вертикальных напряжений при полосе шириной 1 м снижается на 20 % по сравнению с исходной задачей и на 38 % при полосе шириной 2 м, причем отдаление максимума опорного давления также происходит на величину ширины вынимаемой полосы угля . По эквивалентным напряжениям (рис. 2) картина изменения изополей аналогична предыдущим исследованиям.
Анализ напряженного состояния массива горных пород вокруг выработки на расстоянии 5 м за ЛОЗ также показывает смещение напряжений в сторону выемки угля, причем при анализе горизонтальных напряжений (рис. 3) величина сжимающих напряжений уменьшается на 30 %. Высота зоны влияния концентрации вертикальных напряжений при выемке угля снижается на 25 % при сравнении исходной задачи с задачей №2 и на 42 % по сравнению с задачей №3, причем отдаление максимума опорного давления также происходит на величину разгрузочной полосы.
Науки о земле
задача №3
Рисунок 1 Изополя вертикальных напряжений на расстоянии 60 м впереди ЛОЗ
задача №3
Рисунок 2 Изополя эквивалентных напряжений на расстоянии 1 м впереди ЛОЗ
При 80-метровом отдалении от ЛОЗ го- центрация вертикальных напряжений не ризонтальные напряжения уменьшаются изменилась, но сместилась в сторону раз-по длине на 38 % и высоте на 54 %. Кон- грузочной полосы, а высота зоны влияния
Науки о земле
при выемке угля снижается на 12 % при тикальных напряжений в зависимости от
полосе шириной 1 м и на 33% при полосе в ширины разгрузочной полосы и отдаления
2 м. После изучения изополей напряжений от выработки (рис. 4). были построены графики изменения вер-
задача №3
Рисунок 3 Изополя горизонтальных напряжений на расстоянии 5 м за ЛОЗ
А 14 Л По
исходная модель без разгрузочной полосы
■ модель при ширине разгрузочной полосы 2 м
Le, м
-4 -5
модель при ширине разгрузочной полосы 1 м
Рисунок 4 График изменения вертикальных напряжений вдоль лавы в зависимости от ширины разгрузочной полосы и отдаления от выработки
0
Выводы и направление дальнейших исследований.
В результате анализа напряженного состояния массива вокруг выработки при формировании разгрузочной полосы установлено, что процесс извлечения угольного пласта приводит к отдалению максимума опорного давления на ширину этой полосы, но при выемке угля на 1 м величина максимума опорного давления снижается на 6 %, а при выемке на 2 м величина максимума
Библиографический список
опорного давления увеличивается на 6%, следовательно, значения максимумов можно считать равнозначными.
В данной работе рассмотрены задачи в упругой постановке, в связи с чем дальнейшие исследования будут направлены на решение нелинейных реологических задач с целью анализа изменения напряженного состояния пород вокруг выработки во времени.
1. Цыцаркин, В. Н. Прогнозирование проявлений горного давления и меры по обеспечению устойчивости подготовительных выработок на глубоких горизонтах [Текст] / В. Н. Цыцаркин, В. А. Шалауров //Вопросы горного давления. — 1971. — Выпуски 27-28. — С. 20-22.
2. Управление состоянием массива горных пород [Текст] : учебное пособие для ВУЗов / Н. К. Клишин и др. — Алчевск : ДонГТУ, 2010. — 288 с.
3. Маньков, В. Н. Исследования проявлений горного давления в подготовительных выработках сейсмоакустическим методом [Текст] /В. Н. Маньков, В. И. Немов, В. М. Станкус //Вопросы горного давления. — 1971. — Выпуски 27-28. — С. 116-120.
4. Борзых, А. Ф. Образование трещин в кровле отрабатываемого пласта [Текст] /А. Ф. Борзых // Уголь Украины. — № 11-12. — 2001. — С. 7-9.
5. Бенявски, З. Управление горным давлением [Текст]/З. Бенявски. — М. : Мир, 1990. — 254 с.
6. Гмоншинский, В. Г. Горное давление на пологий угольный пласт в окрестности выработки [Текст] /В. Г. Гмоншинский // Уголь. — 1957. — № 6. — С. 16-23.
7. Дудукалов, В. П. Реологическое приращение протяженности зоны проявления опорного давления впереди лавы [Текст] / В. П. Дудукалов, В. С. Дудукалов // Горный журнал. — 2006. — № 1.— С. 124-127.
8. Дядюра, О. И. Исследование взаимного влияния горного давления спаренных лав [Текст]/ О. И. Дядюра // Уголь Украины. — № 2-3. — 2002. — С. 17-18.
© Касьян С. И.
© Кизияров О. Л.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. каф. РМПИДонГТУКлишиным Н. К.,
к.т.н., доц. СУНИГОТ ЛГУ им. Даля Штанько Л. А.
Статья поступила в редакцию 18.11.16.
к.т.н. Касьян С. I., к.т.н. Кiзiяров О. Л. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
ВПЛИВ ШИРИНИ РОЗВАНТАЖУВАЛЬНО1 СМУГИ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ПОР1Д НАВКОЛО П1ДГОТОВЧО1 ВИРОБКИ
За допомогою комп'ютерного моделювання вивчено вплив ширини розвантажувальног смуги на напружений стан пор1д в залежност1 в1д в1дстат до л1нИ' очисного вибою.
Ключовi слова: напружено-деформований стан, комп'ютерне моделювання, виймання вугыь-ного пласту, тдготовча виробка.
PhD Kasiian S.I., PhD Kiziiarov O.L. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
INFLUENCE OF WIDTH OF UNLOADING BELT ON STRESS-STRAIN MODE OF ROCKS AROUND DEVELOPMENT WORKING
Influence of width of unloading belt on stress-strain mode of rock massif has been studied using computer modeling depending on distance to wall face line.
Key words: stress-strain mode, computer modeling, unloading belt, development working.
