Управление состоянием массива
, ,
(9)
= 0,31*104 МПа;
= 0,466;
= 1,9
Вертикальные смещения кровли
выработки:
(10)
= 0,012429 м.
2.4.
Определение
податливости крепи
Податливость крепи выработки должна выбираться с учетом возможных смещений контура, которые
развиваются вследствие деформации ползучести и разрыхления пород.
В последнем случае вследствие
разрыхления пород происходят дополнительные смещения контура из-за увеличения
объема при растрескивании. Величина смещения определяется из выражения:
, (11)
где -коэффициент разрыхления; - радиус пластичности.
, (12)
где ,
- предел прочности на одноосное сжатие; - угол внутреннего трения породы; - сцепление.
= =
1,37;
= = 5,79;
= 3,3 м;
= 0,011 м,
Уменьшение высоты выработки
вследствие ползучести определяется выражением (10), а вследствие разрыхления - (11).
Таким образом податливость крепи:
, (13)
2,5 м.
2.3 Расчет нагрузки на крепь
В результате систематизации данных о
взаимодействии крепи и массива горных пород разработаны следующие основные
расчетные схемы режимов ее работы:
1. Режим заданной нагрузки;
2. Режим заданной деформации;
3. Режим взаимовлияющей деформации;
4. Комбинированный режим.
Тот или иной режим работы крепи
обусловлен конкретными горнотехническими условиями. Если крепь работает в
режиме заданной нагрузки, то давление на нее определяется весом отделившихся от
массива объемов породы.
Горные породы в окрестности выработки
могут быть разрушены в пределах зоны деформации растяжения или пластичности.
Среднее значение координаты границы
зоны растяжения:
, (14)
где - координаты границы зоны растяжения для лучей 0,300,600
и 900.
Среднее значение радиуса пластической
области определяется выражением (12). Расчет следует вести по большему из
значений координат (14) или (12).
= 5,83 м;
При расстоянии между рамами крепи L давление Q на одну раму составит:
, (15)
где S – площадь области разрушения пород в кровле выработки.
В расчете можно принять ,
= 5,48 м2;
где - среднее значение из
(14) или из (12).
= 2,74 Па;
, (16)
где Р- неизвестное давление не крепь.
,
= 1,02 мПа;
Радиальные смещения на контуре в
данном случае определяются выражением:
, (17)
т.е. зависят от упругих (- модуль сдвига) и прочностных () параметров, глубин расположения
выработки и величины пластической зоны:
,
= 0,32*104;
= 62,14*10-4 = 0,006214 м;
Исключая из этих уравнений , можно получить зависимость
между неизвестной реакцией крепи Р- и ее смещением U. Давление на крепь вычисляется из условия
совместимости перемещений контура выработки и крепи. Так, например если
известны механические характеристики крепи (нарастающего или постоянного
сопротивления), то рассматривая их совместно с кривой поведения массива, в
точке пересечения можно определить оптимальные параметры работы крепи (Р и U).
Комбинированный режим нагружения
возникает тогда, когда вокруг выработки могут образоваться зоны, в пределах
которых породы отделены от массива, разбиты крупными и микротрещинами. Далее
массив деформирован упруго. Отделившиеся от массива породы создают давление на
крепь как заданная нагрузка, зоны растрескивания - как взаимовлияющая
деформация.
Раздел III. Управление
состоянием массива горных пород вокруг очистного забоя
3.1
Напряженно-деформированное состояние угольного пласта и вмещающих пород
Практикой эксплуатации
очистных забоев, особенно с механизированными крепями в условиях высоких
нагрузок и скоростей подвигания, выявлено, что геологические и горнотехнические
параметры в разной степени влияют на состояние поддерживаемого пространства,
условия безопасности, на конечный результат всей работы очистных забоев.
Значительные трудности
возникают при отработке пластов в сложных горно-геологических условиях,
например, при труднообрушаемой кровли. Повышения эффективности работы в этих
условиях во многом зависит, как показывает опыт, от способа управления
состоянием пород кровли. Положительный эффект создает, в частности,
формирование напряжений в массиве, обеспечивающих разрушение кровли за
поддерживаемым рабочим пространством лавы.
Постановка и решение
задач механики горных пород для очистных забоев отличается значительной
сложностью. По сравнению с капитальными и подготовительными выработками, здесь
влияние структуры массива (неоднородность, условия на контактах и т.п.)
проявляется в большей степени, больше скорость? и абсолютные значения смещении
горных пород.
Рассмотрим
напряженно-деформированное состояние массива в окрестности очистного забоя.
Вертикальный разрез
массива горных пород с очистной выработкой на большом расстоянии от
вентиляционного и откаточного штреков представлен как невесомая плоскость с
вырезом, соответствующим форме профиля поперечного сечения очистного забоя и
выработанного пространства. Деформацией вдоль забоя можно пренебречь и задачу
свести к плоской.
Закономерности
напряженно-деформированного состояния в окрестности очистного забоя
определяются путем математического моделирования (вычислительного эксперимента)
геомеханической ситуации (обстановки). Решение задачи проводится методом
конечных элементов [3,4,7].
Математическая модель
системы (расчетная схема, рис. 2.1) представляет собой сечение исследуемой
области массива с очистным забоем. В забое установлена механизированная крепь
поддерживающего типа. На почве пласта - обрушенные породы, которые
взаимодействуют с кровлей на некотором удалении от забоя. Конфигурация кровли
обрушенного пространства должна выбираться по данным фактических наблюдений.
Граничные условия задачи
формулируются как сжимающие напряжения на бесконечности:
, , (2.1)
= 14,21;
= 9,947;
Рисунок 1. Расчетная
схема к задаче определения НДС вокруг очистного забоя: 1 – породы почвы, 2 –
угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы основной кровли,
5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.
Конечно-элементная
аппроксимация области (с треугольными элементами) показана на рис. 2.2. Сетка
элементов неравномерная.
Рисунок 2. Сетка конечных
элементов: 1 – породы
почвы, 2 – угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы
основной кровли, 5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.
Вблизи забоя (у мест
большой концентрации напряжений) она более частая, с удалением от забоя (и
уменьшением концентрации напряжений) размеры элементов увеличивается.
Программой
предусматривается разбиение расчетной области на 1100 элементов при 600 узлах.
Область на контуре нагружена вертикальными напряжениями , боковыми напряжениями .
При расчете для каждого
элемента определяются горизонтальные и вертикальные перемещения. Расчеты
производятся как в упругой постановке , так и с учетом вязко-упругого
деформирования и разрушения элементов массива за период полного
технологического цикла, т.е. выемка очередной стружки угля и разгрузка крепи
для передвижки.
По результатам расчетов
строятся диаграммы напряжений и перемещений в массиве в окрестности
механизированного комплекса (забоя). Методика расчета зон
предельно-напряженного состояния массива горных пород очистного забоя более
подробно описывается в работах [3,4].
3.2 Расчет параметров
управления труднообрушающимися кровлями в очистных выработках
К труднообрушающимся
относятся кровли, осадки которых в призабойном пространстве происходят при
разрушении по линии забоя зависающих на значительных площадях прочих слоев
пород основной кровли.
При труднообрушающихся
кровлях наблюдается существенное отличие в формировании проявлений горного
давления и взаимодействии крепей с вмещающими породами по сравнению с обычными
кровлями.
В периоды между осадками
состояния кровли и угольного пласта характеризуется повышенной напряженностью,
связанной с зависанием труднообрушающихся пород. В зоне опорного давления
максимальные вертикальные сжимающие напряжения достигают (3,0¸3,5) перед первой осадкой и (2,0¸2,5) перед последующими осадками кровли. Над призабойным пространством имеют
место значительные горизонтальные растягивающие напряжения.
При достижений предельных
размеров зависаний труднообрушающихся слоев пород происходит осадка кровли, что
приводит к снижению напряжений в зоне опорного давления и над призабойным
пространством. Резко повышаются величина и скорость смещений кровли, а также
нагрузка на крепь, особенно со стороны выработонного пространства.
Труднообрушающимися
кровлями можно управлять различными способами: принудительным первичным
обрушением, передовым торпедированием, гидрообработкой кровли [8,2,9], а также путем повышения сопротивления кровли.
3.2.1 Расчет деформаций
основной кровли
Деформация основной и
непосредственной кровли характеризуются двумя режимами: начального (от
проведения разрезной печи до первого обрушения) и установившегося движения
(периодическое обрушение по мере подвигания очистного забоя).
Для описания начального
движения основной кровли можно воспользоваться моделью прямоугольной плиты,
защемленной со всех сторон и лежащей на упругом основании [6]. Во втором случае можно рассмотреть плиту на упругом
основании, защемленную с трех сторон и свободную со стороны выработанного
пространства. Нагрузка на плиту зависит от конкретных горно-геологических
условий. Это может быть вес (или часть веса) покрывающих пород.
На породы кровли
действует также и боковое сжатие. Поэтому рассматривается продольно-поперечный
изгиб пластинки. для простоты можно пренебречь влиянием упругого основания.
Плоской пластинкой (или
тонкой плитой) называется упругое тело призматической или цилиндрической формы
с малой, по сравнению с размерами основания, высотой.
Пределы применимости
теории:
, ,
(2.2)
где h- толщина пластинки; а-
наименьший размер основания; Wmax- максимальный прогиб.
3.2.2 Расчет
напряженно-деформированного состояния кровли до первой осадки труднообрушающихся
пород
Аналитические
исследования показали, что при отходе очистного забоя от разрезной выработки в
кровле над выработанным пространством образуется зона растягивающих напряжений
σу в форме свода (рис. 2.3).
Напряжения внутри зоны
возрастает к ее центру. Максимальные значения напряжений возникают над
серединой выработанного пространства на расстоянии, равном половине высоты зоны
растяжений hp.
На величины σу
и hp в основном влияют глубина разработки
„Н” и расстояние от целика до очистного забоя Lп.
Напряжения σу
над серединой выработанного пространства рассчитываются по формуле:
, (2.3)
где γ - удельный вес
пород, тс/м3.
Высота зоны растяжений hp определяется из уравнения:
, (2.4)
Кровля в выработанном
пространстве расслаивается по межслоевым контактам по напластаванию при
условии:
, (2.5)
где - предел прочности межслоевых контактов на отрыв, тс/м2.
Предельные размеры
пролетов, при которых произойдет первое обрушение труднообрушающихся пород
кровли, рассчитываются с помощью уравнений (табл. 2), полученных путем
статистической обработки экспериментальных данных о первом шаге обрушения L0' – в зависимости от влияющих
факторов: мощности h0 и
коэффициента крепости ƒ0 – пород основной кровли, мощности
пласта m, мощности hн и коэффициента крепости ƒн
непосредственной кровли, глубины разработки Н, длины лавы Lл.
Таблица 2.3.4
Породы кровли:
основной
непосредственной
|
Уравнения
регрессии
|
Коэффициент
множественной корреляции
|
Песчаник
Аргиллит Алевролит
|
L0'=25,38+0,421h0+0,891ƒ0–2,352m +0,915hн+0,496ƒн
–0,003Н–0,006 Lл
|
0,774
|
L0'=25,38+0,421·4+0,891·3,9–2,352·3,3
+0,915·19+0,496·3–0,003·490–0,006 ·150 = 59,54 м;
Определение
равнодействующей крепи и координаты ее приложения
Реакция крепи на контакте
перекрытия с кровлей имеет вертикальный характер, но для расчетов можно
принимать осредненные значения. Наиболее характерен следующий вариант:
I-вариант –
механизированные крепи с неравномерным распределением сопротивления по
перекрытию;
Выражения, определяющие
взаимосвязь сопротивления крепи q, распределенного по контакту
перекрытия с кровлей, и заданного сопротивления крепи по рядам, получены путем
решения системы уравнений равновесия «крепь-кровля».
Для I-варианта эти
выражения имеют вид:
на призабойном конце
перекрытия:
; (2.6)
со стороны выработанного
пространства:
, (2.7)
где R1, R2 – сопротивление крепи по первому и
второму рядам от забоя, тс;
а1, а2
– расстояние от
призабойного конца перекрытия до первого и второго рядов крепи, м;
в – длина перекрытия, м.
= 0,166 мПа;
= -0,001 мПа,
При креплении
механизированной крепью равнодействующая Q и ее положение С относительно призабойного
конца перекрытий определяется следующим образом:
;
, (2.9)
= 1,291;
= 1,35 м.
Список использованной
литературы
1.
Сагинов А.С.,
Гращенков Н.Ф. и др. Управление состоянием массива горных пород.- Караганда. -
1986. – 80с.
2.
Брагин Е.П.,
Векслер Ю.А. и др. Методика расчета зон предельно-напряженного состояния
массива горных пород вокруг очистного забоя и уточнение силовых параметров
механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий методом
конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. – Караганда: КНИУИ,
1987.-53с.
3.
Комиссаров С.Н.
Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. – М.: Недра, 1983.-
237с.
4.
Борисов А.А.
Механика горных пород и процессов. – М.: Недра, 1980.– 360с.
5.
Вайнберг А.А.,
Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. – Киев: Будевельник, 1970
6.
Ержанов Ж.С.,
Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. –
Алма-Ата: Наука, 1975.
7.
Временная
инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения труднообрушаемой кровли
на выемочных участках. Л. ВНИМИ, 1976, 143с.
8.
Коровкин Ю.А.,
Микляев Е.И., Литвин Ю.А. О создании комплексов оборудования для пластов с
труднообрушаемой кровлей. Уголь, 1979, №3.
9.
Журило А.А.
Методика выбора и расчета параметров управления труднообрушающимися кровлями в
очистных выработках. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1980. – 50с.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|