Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------- © В.В. Аксенов, В.Ю. Садовец,

Г.Д. Буялич, В.Ю. Бегляков,

2011

УДК 622.285:624.042.3:622.232.83

В.В. Аксенов, В.Ю. Садовец, Г.Д. Буялич,

В.Ю. Бегляков

ВЛИЯНИЕ УСТУПА НА НДС ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Предложено управление напряжениями в горном массиве через рациональную форму забоя, рассмотрено влияние общей картины НДС на напряжения в локальной зоне, приведены модели выработок и схемы нагружения, проведен сравнительный анализ НДС забоев плоского и с уступом, обоснованы преимущества забоя с уступом.

Ключевые слова: геоход, уступ, выработка, забой исполнительный орган, напряжения, НДС.

~П настоящее время ведутся работы по созданию геоходов

М.М нового поколения, одной из отличительных черт которых должен стать новый подход к проектированию исполнительных органов проходческих систем [1, 2].

Изучение опыта, приобретенного разработчиками первых геоходов «ЭЛАНГ - 3» и «ЭЛАНГ - 4», позволило разработать требования к исполнительным органам геоходов [3].

Здесь приведем только некоторые требования, которые отвечают рассматриваемой здесь тематике:

- Компактность приводных механизмов ИО;

- Низкая энергоемкость разрушения горного массива;

- Возможность управления ориентацией разрушающих напряжений;

- Полное перекрытие забоя выработки;

- Возможность непрерывного перемещения геохода на забой;

Традиционно конструктивные решения исполнительных органов проходческих систем определяют форму забоя, т.е. форма поверхности забоя - следствие из конструктивного исполнения исполнительного органа. При проектировании проходческой машины задаются характеристиками породы, составляющей массив, сечением и формой контура выработки, и, исходя из этого, определяет-

ся тип и компоновка исполнительного органа, при этом в число решаемых задач не входит форма груди забоя.

Рациональный выбор формы забоя и ориентация разрушающих инструментов позволит нам добиться разрушения забоя при меньших энергозатратах и требованиях к энерговооруженности исполнительного органа.

Форма разрушаемой поверхности и схема приложения сил определяют картину НДС забоя. Поэтому необходимо рассмотреть картины НДС при различных геометрических параметрах забоя, чтобы сравнить и оценить их применимость для тех или иных условий.

При этом надо учитывать, что согласно теории Мора, разрушение горной породы происходит только от сдвига или растяжения [4]. То есть при выполнении хотя бы одного из двух условий: превышение предела прочности по растягивающим напряжениям, или напряжениям сдвига (касательным напряжениям), которые, определяются главными напряжениями и равны половине разницы между о и О3.

Рациональная форма забоя должна войти в число исходных данных, определяющих конструктивное решение разрушающего модуля проходческой машины. А одним из основных критериев оценки рациональности формы забоя должно стать распространение зон с растягивающими напряжениями. Разрушающий инструмент должен заставить породу работать на растяжение. Суммарное воздействие всех разрушающих элементов инструмента (резцы, лезвия, зубья, диски и т. п.) должно создавать «фон напряжений» Ое, который будет смещать напряжения, создаваемые отдельно взятым элементом, в сторону растяжения. Это позволит уменьшить значение необходимого усилия на отдельно взятом резце при сохранении производительности (рис. 1), или увеличить объём разрушаемой зоны при сохранении усилия на резце (рис. 2).

В настоящее время для щитовой проходки по породам средней крепости широкое распространение получили проходческие щиты с различными типами исполнительных органов, среди которых можно выделить основные [5, 6]:

- роторные;

- планетарные;

- избирательного типа.

Паспорт прочности породы

Рис. 1. Влияние «фона напряжений», создаваемого суммарным воздействием инструмента на необходимое усилие на резце

Перечисленные исполнительные органы формируют забой номинально плоской формы (роторные и планетарные с параллельным расположением дисковых фрез) или повторяющий по своей форме профиль разрушающего инструмента (планетарные с непараллельным расположением дисков) [5, 6]. При этом форма забоя определяется без учета направления разрушающих напряжений в породе.

Исполнительные органы избирательного типа не отвечают требованиям, предъявляемым к исполнительным органам геоходов, так как не обеспечивают непрерывного перемещения геохода на забой. Их применение подразумевает цикличность в работе проходческой системы.

Раз мор зоны разрушения Размер зоны разрушения Размер зоны разрушения

а ВО

Рис. 2. Влияние суммарных напряжений на напряжения в локальной зоне отдельно взятого резца, а) без учета влияния с б) при сжимающих в) при растягивающих с

Роторные и планетарные исполнительные органы обеспечивают перекрытие забоя за счет одновременной обработки всей его поверхности, то есть без формирования уступа. У роторных и планетарных исполнительных органов инструмент работает торцевой поверхностью или кольцевой кромкой, что затрудняет формирование уступа.

С учетом разработанных требований к исполнительным органам геоходов были разработаны варианты конструктивных решений, которые можно разбить на две группы по форме груди забоя: с уступом и без уступа [7].

Чтобы оценить применимость тех и других, рассмотрим НДС забоев с уступом и без уступа.

Наличие или отсутствие уступа, а также параметры уступа влияют на общую картину НДС забоя, поэтому влияние это проявляется при приложении суммарной нагрузки, действующей со стороны исполнительного органа в целом, и практически не проявляется при приложении локальной нагрузки действующей от одного отдельно взятого резца.

Математическое моделирование напряженного состояния забоя позволило провести теоретические исследования в этом направлении, основными задачами, при проведении которых ставились:

- создание моделей массива без уступов и с уступами;

- определение характерных геометрических параметров уступа;

- исследование объёмно-напряженного состояния призабойной области горного массива;

- сравнение результатов исследований и на моделях с уступами и без;

- сравнение результатов исследований и на моделях с различными геометрическими параметрами уступов;

- выявление зависимости главных напряжений о, о2 и оз от геометрических параметров забоя и уступа;

- выявление тенденций к снижению энергоёмкости разрушения забоя;

- получение теоретических предпосылок к оптимизации формы забоя;

Учитывая сложный характер нагружения забоя, для решения задачи математического моделирования в данном случае

"////// ■уу///у/ ////,7/ ■//////, У/// / / ///у///' ///Ху У/////у, / У У У х/У , II %

1 ^ -

'/////// '/////' / / / / / ^ >/////■ //7у‘у'// ■Щ'у / / / У у у у . , у/у У у

У///////////У. В=2В У//////////// В =2 В

У/////////////У.

Поверхности фиксации Поверхность забоя

удобно применить методы численных расчетов, а именно метод конечных элементов (МКЭ).

Как инструмент реализации метода конечных элементов, было применено

компьютерное моделирование напряженного состояния массива в системе

COSMOSWorks, что позволило представить картину распределения напряжений в призабойной зоне горного массива.

При моделировании исследовались цилиндрические выработки диаметром D = 3 м, толщиной окружающего массива В = 6 м (рис. 3) в среде среднезернистого массивного алевролита, характерной для Анжерского угленосного района, поля шахтоуправления «Физкультурник» на глубине 270-600 м [8].

Модели разбивались на объемные 10-ти узловые элементы (рис. 4, б), поверхности контакта массива с инструментом и примыкающие к ним области разбивалась на элементы размером 25 мм, остальной массив на элементы размером 650 мм (рис. 5). Переход размеров элемента от 25 до 650 мм осуществлялся постепенно на восьми переходных слоях.

Рис. 3. Модель выработки в массиве

а б

Рис. 4. Расположение узлов в конечных элементах: а) 4-х узловой, б) 10-ти узловой

Физико-технические свойства породы [2]: Плотность р = 2700 кг/м3

а

Рис. 5. Разбиение моделей на конечные элементы: а) плоский забой, б) забой с уступом

Коэффициент крепости по шкале профессора М.М. Протодья-конова f = 7

Предел прочности при одноосном сжатии асж = 72.3 МПа Предел прочности при одноосном растяжении

ср = 5.8 МПа

Сцепление (предел прочности при чистом срезе) т = 15 МПа

Модуль Юнга Е = 2.9-104 МПа

Модуль сдвига G = 1.1-104 МПа

Коэффициент Пуассона ц = 0.27

Для исследования влияния уступа на работу исполнительного органа были рассмотрены НДС забоев двух типов:

1) плоский без уступа, формируемый пятью радиальными разрушающими площадками, совпадающими с формируемой поверхностью (поверхностью груди забоя) (рис. 3) Общая площадь контакта исполнительного органа с массивом составила Snл = 0.67м2 ;

2) с уступом, формируемый пятью радиальными разрушающими площадками, перпендикулярными формируемой поверхности (рис. 7). Общая площадь контакта исполнительного органа с массивом составила S = 1 85 м2

пл

К поверхностям контакта плоского забоя с инструментом прикладывались нагрузки (рис. 6), соответствующие силам взаимодействия, возникающим при работе щитовых проходческих агрегатов с роторными исполнительными органами типа планшайба [5, 6]. К пяти радиальным вытянутым прямоугольным участкам-лучам были приложены нормальная распределенная нагрузка с суммарным значением Fn = 1,75 МН и окружная (касательная) распределенная нагрузка Fт = 390 кН, эквивалентная крутящему моменту М = 320 кНм.

Зоны контакта заВоя с разрушающим инструментом

Рис. 6. Схема приложения нагрузки к забою плоской формы

Для обеспечения эквивалентности нагружения моделей был введен критерий интенсивность нагрузки, равный отношению силы к площади контакта:

<ур =-

К

ТЕ =■

К

Рис. 7. Внешний вид забоя с уступом

N

S ' Г S Интенсивность нормальной распределенной нагрузки составила

^ = 2.614МПа , окружной -

тР = 0,582МПа

К поверхностям контакта забоя с уступом также прикладывались нормальная нагрузка интенсивностью аР = 2.614МПа и касательная нагрузка интенсивностью тЕ = 0,582МПа (рис. 8).

Исследования НДС модели плоского забоя показали:

- в зонах контакта инструмента с породой возникают трехосное сжатие, сжимающие напряжения достигают величины до 3,25 МПа (рис. 9, а, рис. 11) и касательные - величиной до 0,925 МПа (рис. 9, б, рис. 11);

д д - на узких линей-

чатых участках, распо-' - ^ ложенных за зонами

контакта (по ходу движения инструмента) возникают растягивающие напряжения и достигают значений -0.7 МПа (рис. 9, а, рис. 11);

Рис. 8. Схема приложения касательной нагрузки к забою с уступом

- в остальных областях величины напряжений близки к нулю (рис. 9 а, б);

области сжимающих напряжений

Рис. 9. Эпюры напряжений в выработке с плоским забоем: а) главные напряжения а3, б) касательные напряжения т

области растягивающих напряжений области сжимающих напряжений области касательных напряжений

об Ь

Рис. 10. Эпюры напряжений на срезе плоского забоя: а) главные напряжения а3, б) главные напряжения а1, в) касательные напряжения т

- в зоне контакта инструмента с породой значения всех главных напряжений находятся в сжимающей области.

Исследования НДС забоя с уступом и поперечным направлением касательной составляющей нагрузки (рис. 8, а) показали:

- в области внутренней кромки уступа (до 25 мм от кромки) возникает трехосное растяжение, главные напряжения -7 МПа 5 а3 5 - 2.7 МПа, Сті Н 0 (рис. 12, рис. 13);

- на поверхности откоса уступа, главные напряжения аз

находятся в растягивающей области;

Рис. 11. распределение напряжений по поперечному сечению пятна контакта

инструмента с плоским забоем: г - расстояние от середины пятна контакта, В -ширина пятна контакта

п 5 6

Рис. 12. Эпюры главных напряжений а3 в забое с уступом: а) общий вид, б) вид на забой, в) распределение по профилю уступа

Рис. 13. Распределение напряжений по поперечному сечению пятна контакта инструмента с плоским забоем: г - расстояние от внутренней кромки, В - ширина откоса

Сравнительный анализ НДС забоев плоского и с уступом показал:

- суммарные напряжения в зоне контакта исполнительного органа с массивом при разрушении забоя с уступом преимущественно растягивающие, а при разрушении плоского забоя сжимающие;

- область распространения максимальных сжимающих напряжений при разрушении забоя с уступом лежит за пределами поверхности контакта, а при разрушении плоского забоя совпадает с ней;

- область распространения максимальных растягивающих напряжений при разрушении забоя с уступом совпадает с поверхностью контакта, а при разрушении плоского забоя лежит за её пределами;

- глубина распространения суммарных напряжений при разрушении забоя с уступом больше чем при разрушении плоского забоя.

Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1) наличие уступа влияет на напряжения в призабойном массиве;

2) суммарные напряжения от воздействия исполнительного органа приводят к смещению значения главных напряжений в локальных зонах действия отдельно взятых резцов в сторону растяжения при наличии уступа и в сторону сжатия при плоском забое;

3) энергоёмкость разрушения породы в забое с уступом меньше чем в плоском забое.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992.

- 192 с.

2. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок.

- Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 264 с., ил.

3. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,

А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук, В.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Горное оборудование и электромеханика. 2009. №5 С. 3 - 7.

4. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд. 2-е, переработанное. - М.: Недра, 1973, 286 с.

5. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щегловский М.М., Поляков Ал.В., Поляков Ан.В. Щитовые проходческие комплексы: Учебное пособие. - М.: Издательство «Горная книга», Издательство МГГУ, 2009. - 447 с.: ил. (Горное машиностроение)

6. Клорикьян В. Х., Ходош В. А. Проходческие щиты и комплексы. - М.: Недра, 1997. 326 с.

7. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов /

В. В. Аксенов, В. Ю. Садовец, В. Ю. Бегляков - // Горный информационноаналитический бюллетень. 2010. №3 С. 49 - 54.

8. Штумпф Г. Г., Рыжков Ю. А., Шаламанов В. А., Петров А. И. Физикотехнические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. -М.: Недра, 1994 - 447 с.: ил.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------

Аксенов В.В. - доктор технических наук, профессор, Садовец В.Ю. - кандидат технических наук, доцент, Буялич Г.Д. - доктор технических наук, профессор, Бегляков В.Ю. - ст. преподаватель,

Юргинский технологический институт ТПУ, е-таіі: v.aksenov@icc.kemsc.ru, begljakov@ramble.ru