Болотів А

Олена Вралова 2 роки тому Переглядів:

2 Одним із способів локалізації негативних проявів гірського тиску в лаві до первинної посадки покрівлі, що важко обрушується, є попередній розворот лінії очисного вибою при відході лави від монтажної камери [3]. Оскільки механізм та параметричні характеристики опускань покрівлі при поперемінно-діагональному оголенні її масиву не вивчені, дослідження даного питання мають актуальний характер. Мета роботи на базі усереднених вихідних характеристик оголюваного масиву покрівлі, що важко обрушується, розробити математичну модель для визначення напружено-деформованого стану і опускань складових його порід при поетапному розвороті лінії очисного забою від монтажної камери. Сформульовані такі завдання: розробити математичну модель напружено деформованого стану масиву покрівлі, що важко обрушується, із застосуванням методу кінцевих елементів при розвороті лінії очисного вибою на різних ділянках по довжині лави; встановити особливості формування зон руйнування оголюваного шару покрівлі, характеру та величин його опускань для умов розробки антрацитових пластів глибокими шахтами Українського Донбасу. При моделюванні враховувалися такі умови: глибина закладання виробок Н = 1000 м, потужність горизонтального шару т = 1,0 м; безпосередня покрівля (перший шар) глинистий сланець потужністю 3,5 м міцністю на одновісне стиснення 50 МПа, піщаник (8,0 м; 90 МПа), що важко обрушується (другий шар); об'ємна вага порід і вугілля відповідно 2,7 і 1,6 кн/м 3. Оскільки в умовах середні значення довжини лави становлять 200 м і крок первинної посадки 80 м, то ці величини, виходячи з побудови моделі, приймаютьсяблизькими до останніх відповідно l у = 201,6 м та l x = 78,4 м. Моделювання напружено-деформованого стану (ПДВ) масиву в околиці лави здійснювалося методом кінцевих елементів (МКЕ) з використанням програмного комплексу «ЛІРА». При розрахунку застосовувалася об'ємно-деформована модель у нелінійній постановці з використанням об'ємних кінцевих елементів (КЕ) типу 236 [4]. При розрахунку модельованого масиву під дією власної ваги розміри його повинні перевищувати область впливу очисних робіт. У цьому форма досліджуваної області обрана як паралелепіпеда [5]. Для визначення розмірів розрахункової схеми (рисунок 1), що включають область впливу очисних робіт, враховувалися: 1, 2 і 3 кути повних зрушень масиву по контурах, обмежую-

3 щим досліджуваний ділянку; δ 0 граничний кут його зсуву по подвигу лінії очисного вибою. Малюнок 1 Схема об'ємної моделі ПДВ породокутного масиву МКЕ, що розробляється: 1 вироблений простір досліджуваної ділянки; 2 вугільний пласт; 3 очисне вироблення При розв'язанні задачі визначення розмірів досліджуваної області породного масиву навколо довгого очисного вироблення здійснюється за формулами [5]: L у1 = (H + l y /2 sinα) ctg (ψ 1 - α) + у 1 м; (1) L у2 = (H - l y /2 sinα) ctg (ψ 2 + α) + у 2 м; (2) L х3 = H ctg δ 0 + x 3 м; (3) L х4 = H ctg ψ 3 + х 4, м, (4)

4 де L у1, L у2 і L х3, L х4 відстані від вибою до лівої та правої вертикальних меж розрахункової схеми відповідно по осях Y та Х, м; α кут падіння пласта, град (у схемі α = 0 0 ); у 1, у 2, х 3 і х 4 запаси відстаней, пов'язані з необхідністю підвищення точності визначення межі зони зсуву земної поверхні, рівні м. Відстань від вибою до верхньої межі розрахункової схеми прийняті рівними глибинірозробка Н, а до нижньої Н 1 не менше 300 м [5]. Для досліджуваних умов, відповідно до [6]: ψ 1 = ψ 2 = ψ 3 = 55 0; δ 0 = 70 0; L у1 і L у2 не менше 750 м, L х3 і L х4 не менше відповідно 414 і 750 м. Тоді розміри моделі по осях Х, Y та Z складуть: L X = L х3 + L х4 + l х м; (5) L Y = L у1 + L у2 + l у м; (6) L Z = Н + Н 1 + т, м. (7) Розрахункова схема, що охоплює область моделювання, представлена малюнку 2, а. Згідно з методикою розрахунку моделі (рисунок 1) на бічних межах досліджуваної області прийняті тільки вертикальні переміщення, на нижній жорстке закріплення. На верхній межі біля земної поверхні можуть виявлятися як вертикальні, і горизонтальні переміщення. Модульований простір розділено на блоки (рисунок 2, а): вугільний пласт Б1 перший шар покрівлі Б2 другий Б3. Вищележача товща масиву представлена блоком Б4, а нижче Б5. Мінімальний розмір КЕ прийнятий рівним 1,0х1,6 м, максимальний 42,6х43,2 м. Згущення сітки в блоках Б1-Б3 виконано на досліджуваній ділянці, що імітує виїмку вугільного пласта при розвороті лінії очисного вибою, з використанням елементів у площині пласта . Досліджуваний ділянку та її фрагмент з розбивкою області на КЕ представлені малюнку 2, б і 2, в. Розрахунок ПДВ з використанням моделі проводиться у фізично нелінійній постановці кроково-ітераційним методом з поділом на 2 рівні за величиною кроку. Для всіх КЕ моделі прийнято експоненційний закон деформування геоматеріалу [4], усереднені характеристики міцності якого представлені в таблиці 1.

5 Y X Y X а) Y X в) б) г) Малюнок 2 Вихідна розрахункова схема моделювання: а загальна; б досліджуваного ділянки 1 площині пласта 2; у фрагмент кутової частини виробленого простору 3; г положення ліній очисного вибою 4 прирозвороті у бічних крайових частин 5 і 6 вугільного масиву, пов'язаних з виробками відповідно транспортної та вентиляційної на різних стадіях розрахунку 2-12 : І та ІІ ділянки з контурами оголення при поперемінно-діагональному розвороті лінії очисного вибою

6 Таблиця 1 Характеристики міцності порід Тип порід Кількісне значення параметра міцності порід, МПа межа міцності на модуль пружності розтягування стиснення Коефіцієнт Пуассона умовне позначення σ сж σ р Е μ Пісковик ,2 Глинистий сланець ,25 Вугільний стад ,27 Вугільний пласт ,27 перша навантаження, наступні моделювання порожнин, що імітують попереміннодіагональне рух лінії очисного вибою на ділянках розвороту І і ІІ щодо пов'язаних з лавою бічних крайових частин вугільного масиву відповідно у транспортної (стадії 2-7 ) і вентиляційної (стадії 8-12 ) г), розрахункові параметри яких представлені в таблиці 2. Таблиця 2 Розрахункові параметри на ділянках розвороту лінії очисного вибою За результатами моделювання встановлено величини вертикальних стискаючих напруг N z (МПа) та контури зон руйнування породних шарів, що формуються над вугільним пластом (малюнки 3 і 4) .

7 Y X а) б) Малюнок 3 Контури напруг N z і формованих зон руйнування 1 за результатами стадій розрахунку 3, 5, 7 і 8: а першого шару покрівлі 2 в межах площі її оголення 3; б масиву 4 за висотою: 5 другий шар покрівлі; 6 вугільний пласт; 7 і 8 зруйновані відповідно вугільний пласт і покрівля Перший шар покрівлі руйнується на стадії розрахунку 3 (рисунок 3 а) і формує контур зони з максимальними розмірами Х 3 = 12,8 м і Y 3 = 75,2 м відповідно по осях Х і Y та площею S 3 = 740 м 2 (таблиця 3). Подвиг очисного вибою у транспортної та вентиляційноївиробок склало відповідно Vт 3 = 22,4 м і Vв 3 = 3,2 м. На І ділянці розвороту лінії очисного вибою в міру відходу лави від монтажної камери на стадіях розрахунку 5 і 7 геометричні параметри контурів цих зон руйнування збільшуються і складають Х 5 = 36,8 м; Х 7 = 59,2 м та Y 5 = 153,6 м; Y 7 = 172,8 м відповідно площами S 5 = 4303 м 2 і S 7 = 6863 м 2. Повне формування контуру зони руйнування першого шару покрівлі по всій довжині лави площею S 8 = 8988 м 2 відбувається на ІІ ділянці її розвороту ( стадія розрахунку 8),

8 при максимальній та мінімальній величинах подвигу лави відповідно у транспортної Vт 8 = 68,8 м і вентиляційної Vв 8 = 24,0 м виробок. Вертикальні величини стискаючих напруг за вказаними перерізами (рисунок 3, б) становлять максимальні значення N z3 = 21,1 МПа; N z5 = 24,1 МПа; N z7 =26,1 МПа і N z8 =22,6 МПа відповідно на стадіях розрахунку 3, 5, 7 і 8, поширюються навколо крайових частин вугільного масиву, що виймається. Мінімальні значення цих напруг становили 4,2-5,2 МПа. Таблиця 3 Розміри формованих контурів зон руйнування першого шару покрівлі на ділянках розвороту Другий шар покрівлі (рисунок 4) руйнується на І ділянці розвороту лави, починаючи зі стадії розрахунку 6, при подвигу очисного вибою у транспортної та вентиляційної виробок відповідно Vт 6 = 6 = 8 м. Площа зони руйнування цього шару становить Sр 6 = 837 м 2 за загальної площі його оголення Sо 6 = 4981 м 2 (таблиця 4). На стадії розрахунку 7 (Vт 7 = 67,2 м та Vв 7 = 9,6 м) загальні площі зон оголення та руйнування зростають і становлять відповідно Sо 7 = 7862 м 2 і Sр 7 = 4644 м 2. На ІІ ділянці розвороту лави спостерігається зростання площ зон руйнування, які за стадіями розрахунку 8, 9 та 10 становлять відповідно Sр 8 = 6151 м 2, Sр9 = 9454 м 2 і Sр 10 = 12358 м 2 при загальних площах оголення Sо 8 = 9623 м 2, Sо 9 = м 2 і Sо 10 = 12549 м 2. Повне формування зони руйнування другого шару покрівлі по всій довжині лави на стадії 10 (Vт 10 = 72 м та Vв 10 = 52,8 м). Як видно з малюнка 4, на кутових ділянках площі оголення руйнування покрівлі не відбувається і в міру розвороту лави їх величина зменшується.

9 а) б) в) г) д) е) Малюнок 4 Контури формованих зруйнованих 1 і незруйнованих 2 зон другого шару покрівлі в межах оголення досліджуваної ділянки: а, б, в, г, д і е відповідно за результатами стадій розрахунку 6, 7, 8, 9, 10 і 11: С7 С11 точки максимальних опускань покрівлі

10 Таблиця 4 Співвідношення площ оголення другого шару покрівлі та його руйнування на ділянках розвороту Для порівняння кількісних значень площ загального оголення (Sоі) та її зруйнованої частини (Sрі) доцільно використовувати їх відносну величину psі = Sрі/Sоі, значення якої представлені у таблиці 4. Зі збільшенням загальних площ оголення частка площ зруйнованих ділянок зростає нерівномірно від 0,17 до 0,99 відповідно на початковій та кінцевій стадіях. Максимальне залучення до процесу другого шару покрівлі відбувається на стадії розрахунку 7 з найбільшим приростом відносної величини p s, що дорівнює 0,42. Графічна інтерпретація змін опускань другого шару покрівлі по стадіях розрахунку 7, 9 і 11 представлена на малюнках 5 і 6. Максимальна величина опускання покрівлі в точці С7 на стадії розрахунку 7 (малюнки 5, а і 6 а) становить 126 мм і знаходиться по довжині лави на відстані 40 м щодо пов'язаної з лавою транспортного вироблення та 30,4 м за просуванням лави від монтажної камери. На стадіях розрахунку 9 та 11 максимальні величини опускань покрівлі в точках С9 та С11склали відповідно 256 мм та 521 мм. При цьому точки по довжині лави щодо транспортного вироблення змістилися відповідно до координат 59,2 м і 100,8 м, а по подвигу очисного вибою 30,4 м і 44,8 м (малюнки 5, б, в і 6, б, в).

11 Опускання, Опускання, Опускання, а) б) в) Малюнок 5 Графічна інтерпретація змін опускання другого шару покрівлі відповідно за результатами стадій розрахунку 7(а), 9(б) та 11(в)

12 а) б) в) Малюнок 6 Зміни величин опускання другого шару покрівлі за взаємоперпендикулярними площинами, проведеними відповідно через точки С7 (а), С9 (б) і С11 (в) З малюнків 5 і 6 видно, що опускання важкообрушуваного (другого шару) ) покрівлі в тривимірному вимірі являє собою змінну по стадіях оголення неправильну увігнуту поверхню з центром, що переміщається величин максимальних опускань, що прагнуть до центру площі оголення. Висновки. Площа зони руйнування безпосередньої покрівлі при поперемінно-діагональному оголенні масиву різних ділянках прольоту його зависання по довжині лави зростає. Повне руйнування цього шару щодо пов'язаних з лавою вентиляційної та транспортної виробок відбувається відповідно при максимальних прольотах зависання на 24 і 68,8 м із залученням у процес зміщення шару, що важко обрушується.

13 Параметри контурів розповсюдження вертикальних стискаючих напруг, руйнувань і опускань масиву покрівлі поперемінно-оголеного залежать від прольотів зависання. Поверхня прогину шару, що важко обрушується, являє собою неправильну увігнуту форму з асиметричним розташуванням її центру в точках максимальних опускань, що переміщаються в міру оголення масиву. Повне руйнування шару, що важко обрушується, відбувається по всій площі оголення з максимальною величиноюопускання 521 мм на віддаленні від залишеної крайової частини вугільного масиву у монтажної камери 44,8 м і транспортного вироблення 100,8 м, що приблизно збігається з центром лави за її довжиною та рухом. На кутових ділянках лави шар покрівлі, що важко обрушується, зависає і в міру оголення площа його неруйнованої частини зменшується. Математичні моделі напружено-деформованого стану масиву методом кінцевих елементів рекомендується використовувати для прогнозування в конкретних вихідних умовах зон руйнування масиву покрівлі до її первинної посадки при поетапному розвороті лави. Бібліографічний список 1. Журило А. А. Гірський тиск в очисних вибоях з покрівлями, що важко обрушуються / А. А. Журило. М: Надра, с. 2. Овчинніков В.П. Геомеханічне обґрунтування технології управління важкообвальною покрівлею на вікідонебезпечних пластах // В.П. Овчинніков, Ю.М. Халімендик, В.Д. Петренко, В.П. Романенко. Луганськ: Книжковий світ, с. 3. Борзих А.Ф. Досвід поетапної первинної посадки покрівлі у комплексно-механізованих лавах / О.Ф. Борзих, А.П. Болотов, В.М. Григоряк // Вугілля України З Ліра 9.4. Приклади розрахунку та проектування: навчальний посібник / [Борисов В.Є., Гензерський Ю.В., Гераймович Ю.Д. та ін.]. К.: ФАКТ, с. 5. Комісарів С.М. Управління масивом гірських порід навколо очисних виробок/С.М. Комісарів. М: Надра, с. 6. Правила підробки будівель, споруд та природних об'єктів при видобуванні вугілля підземним способом. ДСТУ К.: Мінпаливенерго України, с. Рекомендована до друку д.т.н., проф. Борзих А.Ф.