Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”

Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспери...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Фомичев, В., Почепов, В., Лапко, В., Фомичева, Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2016
Schriftenreihe:	Розробка родовищ
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104732
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки” / В. Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, Л. Фомичева // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 25-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-104732
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1047322016-07-15T03:02:12Z Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки” Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, В. Фомичева, Л. Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспериментов было выполнено на основе метода конечных элементов с использованием объемной расчетной области при условии запредельного нелинейного поведения моделируемых материалов. Применение сеточных численных методов позволяет создавать геометрически и физически сложные расчетные модели и при этом манипулировать их состоянием в широких пределах. Результаты. В результате расчетов установлено, что при слабых связях между соседними слоями, действующие касательные напряжения их разрушают в окрестности выработки, и смежные породные слои деформируются с проскальзыванием друг относительно друга. Анализ поля приведенных напряжений позволил с достаточной для горнотехнических расчетов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной области, наиболее полно отражающей все основные особенности реального горного массива, влияющие на погрешность проводимых расчетов. Этот выбор обеспечивает величину привносимой погрешности в пределах 10% во всем диапазоне изменения механических параметров породных слоев горного массива. Мета. Обґрунтування методики прогнозу проявів гірського тиску в системі “шаруватий масив – кріплення виробки” на основі виявлення закономірностей зсуву довільної точки контуру підготовчої виробки при проведенні обчислювальних експериментів. Методика. Проведення обчислювальних експериментів було виконано на основі методу кінцевих елементів з використанням об’ємної розрахункової області за умови позамежного нелінійного поводження матеріалів, що моделюються. Застосування сіткових чисельних методів дозволяє створювати геометрично й фізично складні розрахункові моделі й при цьому маніпулювати їх станом у широких межах. Результати. У результаті розрахунків встановлено, що при слабких зв’язках між сусідніми шарами, діючі дотичні напруження їх руйнують в околиці виробки, і суміжні породні шари деформуються із проковзуванням один щодо одного. Аналіз поля наведених напруг дозволив з достатньою для гірничотехнічних розрахунків точністю обґрунтувати єдину усереднену структуру розрахункової області, що найбільше повно відбиває всі основні особливості реального гірського масиву, що впливають на погрішність проведених розрахунків. Цей вибір забезпечує величину погрішності, що привноситься, у межах 10% у всьому діапазоні зміни механічних параметрів породних шарів гірського масиву. Purpose. Substantiating the method for forecasting rock pressure manifestation in the system “layered massif – working support” on the basis of displacement patterns detection at any arbitrary point of the preparatory working circuit during the computational experiments. Methods. Computational experiments were carried out on the basis of the finite element method using the solid computational domain, provided superlimiting non-linear behavior of the simulated materials. The use of numerical grid methods allows creating geometrically and physically complex simulation models and manipulate their state within a wide range. Findings. The calculations defined that with weak links between adjacent strata, acting shear stresses destroy them in the vicinity of working, and the contiguous rock strata deform with mutual sliding. Analysis of reduced stress area allows to substantiate with accuracy sufficient for mining computations a unified average structure of the computational domain that most comprehensively reflects all the main features of a real mining massif which are likely to influence computational error. This choice ensures the introduced error value within 10% in the entire range of mechanical parameters change of the rock massif strata. 2016 Article Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки” / В. Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, Л. Фомичева // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 25-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2415-3435 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/mining10.02.025 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104732 622.833.52.001.57 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспериментов было выполнено на основе метода конечных элементов с использованием объемной расчетной области при условии запредельного нелинейного поведения моделируемых материалов. Применение сеточных численных методов позволяет создавать геометрически и физически сложные расчетные модели и при этом манипулировать их состоянием в широких пределах. Результаты. В результате расчетов установлено, что при слабых связях между соседними слоями, действующие касательные напряжения их разрушают в окрестности выработки, и смежные породные слои деформируются с проскальзыванием друг относительно друга. Анализ поля приведенных напряжений позволил с достаточной для горнотехнических расчетов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной области, наиболее полно отражающей все основные особенности реального горного массива, влияющие на погрешность проводимых расчетов. Этот выбор обеспечивает величину привносимой погрешности в пределах 10% во всем диапазоне изменения механических параметров породных слоев горного массива.
format	Article
author	Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, В. Фомичева, Л.
spellingShingle	Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, В. Фомичева, Л. Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки” Розробка родовищ
author_facet	Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, В. Фомичева, Л.
author_sort	Фомичев, В.
title	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
title_short	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
title_full	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
title_fullStr	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
title_full_unstemmed	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
title_sort	разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
publishDate	2016
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104732
citation_txt	Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки” / В. Фомичев, В. Почепов, В. Лапко, Л. Фомичева // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2016. — Т. 10, вип. 2. — С. 25-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Розробка родовищ
work_keys_str_mv	AT fomičevv razrabotkaianalizvyčislitelʹnojmodeligeomehaničeskojsistemysloistyjmassivkrepʹvyrabotki AT počepovv razrabotkaianalizvyčislitelʹnojmodeligeomehaničeskojsistemysloistyjmassivkrepʹvyrabotki AT lapkov razrabotkaianalizvyčislitelʹnojmodeligeomehaničeskojsistemysloistyjmassivkrepʹvyrabotki AT fomičeval razrabotkaianalizvyčislitelʹnojmodeligeomehaničeskojsistemysloistyjmassivkrepʹvyrabotki
first_indexed	2025-07-07T15:45:26Z
last_indexed	2025-07-07T15:45:26Z
_version_	1837003573274083328
fulltext	Founded in 1900 National Mining University Mining of Mineral Deposits ISSN 2415-3443 (Online) \| ISSN 2415-3435 (Print) Journal homepage http://mining.in.ua Volume 10 (2016), Issue 2, pp. 25-33 25 UDC 622.833.52.001.57 http://dx.doi.org/10.15407/mining10.02.025 РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ “СЛОИСТЫЙ МАССИВ – КРЕПЬ ВЫРАБОТКИ” В. Фомичев1, В. Почепов1, В. Лапко1, Л. Фомичева2 1Кафедра подземной разработки месторождений, Национальный горный университет, Днепропетровск, Украина 2Кафедра высшей математики, Национальный горный университет, Днепропетровск, Украина Ответственный автор: e-mail vvlapko@mail.ru, тел. +380562472326, факс: +380563742184 DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF COMPUTATIONAL MODEL OF GEOMECHANICAL SYSTEM “LAYERED MASSIF – WORKING SUPPORT” V. Fomychov1, V. Pochepov1, V. Lapko1, L. Fomychova2 1Underground Mining Department, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine 2Higher Mathematics Department, National Mining University, Dnipropetrovsk, Ukraine Corresponding author: e-mail vvlapko@mail.ru, tel. +380562472326, fax: +380563742184 ABSTRACT Purpose. Substantiating the method for forecasting rock pressure manifestation in the system “layered massif – working support” on the basis of displacement patterns detection at any arbitrary point of the preparatory working circuit during the computational experiments. Methods. Computational experiments were carried out on the basis of the finite element method using the solid computa- tional domain, provided superlimiting non-linear behavior of the simulated materials. The use of numerical grid methods allows creating geometrically and physically complex simulation models and manipulate their state within a wide range. Findings. The calculations defined that with weak links between adjacent strata, acting shear stresses destroy them in the vicinity of working, and the contiguous rock strata deform with mutual sliding. Analysis of reduced stress area allows to substantiate with accuracy sufficient for mining computations a unified average structure of the computa- tional domain that most comprehensively reflects all the main features of a real mining massif which are likely to influence computational error. This choice ensures the introduced error value within 10% in the entire range of me- chanical parameters change of the rock massif strata. Originality. Stress-strain state of frame support and patterns of its change with increasing mining depth are non- linear, especially with nearby rock strata entering the superlimiting state; formation of the plastic hinges system along the frame support circuit, which causes the development of such replacements that exclude the possibility of further working exploitation. Practical implications. The proposed method allows to determine the optimal indicators of maintaining a working driven in the finely-layered rock massif, which makes it possible to significantly reduce operation costs. Keywords: working, stress-strain state, frame support, nonlinear deformation, rock massif 1. ВВЕДЕНИЕ Стабильность функционирования угольной шахты во многом определяется состоянием подземных гор- ных выработок, среди которых в наиболее сложных условиях эксплуатируются подготовительные выра- ботки, особенно проводимые в слоистом массиве сла- бых пород, например, на шахтах Западного Донбасса. Здесь необходимость в ремонте подготовительных выработок достигает 50%, а затраты на поддержание составляют 15% в себестоимости добычи угля (Kovalevska, Illiashov, Fomichev & Chervatuk, 2010). Поэтому обеспечение надлежащего эксплуатацион- ного состояния подготовительных выработок шахт Западного Донбасса является важной технической задачей. В понятие “эксплуатационное состояние выработки” специалисты вкладывают комплекс во- просов, связанных в первую очередь с устойчиво- стью крепи, безопасностью передвижения людей и транспортных средств, надежностью схем проветри- вания участков шахтного поля. На основании учета данных факторов проектировщиками принимается решение о выборе наиболее рационального типового сечения выработки, для чего необходимо достаточно V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 26 надежно спрогнозировать эпюру перемещений в любой точке ее контура и оценить соблюдение ком- плекса конструктивно-технологических норм и тре- бований правил безопасности. В настоящее же время при выборе типового сече- ния выработки в нормативных документах переме- щения ее контура принимаются усредненными и постоянными отдельно по всей длине кровли, почвы и боков без учета реально существующей неравно- мерной эпюры перемещений на каждом из этих участков, что усложняет эксплуатацию выработки. Поэтому разработка методики прогноза эпюры пе- ремещений в любой точке контура выработки для комплексной оценки ее эксплуатационного состояния и выбора на этой основе типового сечения, безуслов- но, актуальной является задача повышения эффектив- ности работы угольных шахт Западного Донбасса. Такая комплексная постановка задачи требует макси- мально адекватного отражения процессов сдвижения слоистого массива слабых пород в окрестности подго- товительной выработки (Bondarenko, Kovalevskaya, Simanovich & Fomychov, 2010). А именно: учет сов- местности деформирования массива и крепи реальной пространственной геометрии с межрамным огражде- нием и забутованным закрепным пространством; мо- делирование максимально приближенной к суще- ствующей структуры слоистой углевмещающей тол- щи с неоднородными механическими характеристи- ками и нарушенными контактами между слоями в окрестности выработки; учет параметров полной диа- граммы деформирования каждого из элементов систе- мы “слоистый массив – крепь подготовительной вы- работки” (Pavlova, 2005; Kurlenya & Oparin, 1999). 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Исходя из изложенного, сформулирована конеч- ная цель работы – обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведе- ния вычислительных экспериментов. Поскольку аналитические методы решения дан- ной задачи не позволяют получить достаточную точ- ность описания геомеханической системы при проек- тировании крепей выемочных выработок (Zhu, Jian, Hou, Xiao & Yao, 2008), в качестве математической основы рассматриваемой методики примем метод конечных элементов (МКЭ). Использование сеточ- ных численных методов позволяет выполнить моде- лирование большого числа объектов в пределах од- ной расчетной области, при этом манипулируют их состоянием в широких переделах. 3. ПРОВЕДЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ На первом этапе исследований получено решение двух основных задач: выполнено геомеханическое обоснование модели сдвижения тонкослоистого мас- сива слабых пород в окрестности пластовой выра- ботки (Рис. 1); проведено комплексное исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) системы “слоистый массив – крепь подготовительной выработки” по полной диаграмме деформирования каждого из составляющих ее элементов (Oparin, Akinin, Vostrikov & Yushkin, 2003). Тестирование поля НДС модели Влияние месторасположения выработки относительно угольного пласта НДС модели в районе границ Влияние размеров выработки Минимальные размеры модели Влияние угла падения угольного пласта Влияние мощности угольного пласта и его механических характеристик Влияние мощности породных слоев и их механических характеристик Анализ НДС по плоскостям напластования углевмещающей толщи Геомеханическое обоснование модели деформирования системы «слоистый массив – крепь выемочной выработки» Обоснование структуры углевмещающей толщи угольных пластов Западного Донбасса Обоснование диапазонов изменения геомеханических и горнотехнических параметров модели Обоснование размеров геомеханической модели Рисунок 1. Структурная схема геомеханического обоснования модели деформирования системы “слоистый массив – крепь выработки” V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 27 Структура решения первой из поставленных задач состоит из трех основных этапов (Рис. 1). На первом этапе выполнено обоснование начальных и гранич- ных условий, характерных для модели “слоистый массив – крепь подготовительной выработки”; на втором – проведение массива тестовых расчетов, определяющих величину влияния на результат раз- личных характеристик системы; и на третьем – вы- полнен подбор комбинаций изменяемых характери- стик системы, используемых при расчетах на втором этапе решения текущей задачи. Таким образом, обоснован весь комплекс исход- ных горно-геологических и горнотехнических пара- метров для максимально достоверного моделирова- ния процессов сдвижения слоистой углевмещающей толщи в окрестности подготовительной выработки (Yang et al., 2011). С учетом особенностей МКЭ и структурной сложности поставленной задачи разработана блок- схема вычислительного эксперимента (Рис. 2), рас- четная схема которого сформирована таким специ- фическим образом, что она проходит несколько эта- пов актуализации – от разработки основных расчет- ных элементов модели до адекватного представления о природе выполняемых расчетов. Актуализация расчетной схемы привела к созда- нию объемной модели, на основе которой выполня- лись все последующие исследования. Для снижения влияния граничных условий на количественные ре- зультаты вычислительного эксперимента по оси вы- работки моделировалось шесть рам, располагающих- ся на расстоянии 0.5 м друг от друга. Размеры модели выбраны с учетом минимизации взаимного влияния выработки и граничных условий на результирующие эпюры напряжений и перемещений. При этом на границах модели сохраняются исходные негидроста- тические условия распределения вертикальных и горизонтальных компонент напряжений. АКТУАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Создание геометрических объектов Элементы крепи Модели породных слоев Сборка горного массива Формирование контура выработки Установка крепи в выработку Выбор внешних размеров расчетной модели Изменение внешних размеров Выбор схемы нагружения Изменение граничных и начальных условий Выбор условий контакта элементов модели Определение условий контакта между выбранными поверхностями Привязка физических характеристик материалов к элементам модели Оптимизация расчетной схемы Выполнение вычислительного эксперимента на основе полученной расчетной схемы Рисунок 2. Блок-схема постановки и проведения вычислительного эксперимента 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ходе расчетов установлено, что при слабых свя- зях между соседними слоями действующие касатель- ные напряжения их разрушают в окрестности выработ- ки и смежные породные слои деформируются с про- скальзыванием друг относительно друга. Этот фактор, как видно из представленных эпюр (Рис. 3), суще- ственно изменяет поле напряжений и учтен в резуль- тирующей модели вычислительного эксперимента. В целом, при учете проскальзывания слоев наблю- дается рост максимальных касательных напряжений в горном массиве с увеличением числа породных слоев моделируемых вблизи от контура выработки. Анализ поля приведенных напряжений (Рис. 4) позволил с достаточной для горнотехнических расче- тов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной области, наиболее полно отра- жающей все основные особенности реального горно- го массива в значительной степени, влияющие на погрешность проводимых расчетов. Этот выбор обес- печивает величину привносимой погрешности в пре- делах 10% во всем диапазоне изменения механиче- ских параметров породных слоев горного массива. Расчет, произведенный для группы тестовых моделей по вариантам размещения выработки относительно угольного пласта, позволил выбрать для расчетной модели усредненный вариант, формирующих НДС системы в пределах допустимой погрешности. V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 28 Рисунок 3. Эпюры касательных напряжений с учетом проскальзывания (две левых) и без учета проскальзывания (большая правая) породных слоев Рисунок 4. Эпюры приведенных напряжений для различных моделей вычислительного эксперимента V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 29 Анализ напряженно-деформированного состояния моделируемого угольного пласта для различных вариантов механических характеристик породных слоев показал, что в исследуемых диапазонах влия- ние этих параметров на состояние пласта незначи- тельно. Значительным изменениям НДС подвергают- ся области породного массива над и под выемочной выработкой. Причем наблюдаются изменения зон малой интенсивности напряжений в пространствен- ном расположении до 70% высоты выработки и по величине интенсивности напряжений – до 15%. Таблица 1. Варианты соотношения модулей деформации близлежащих породных слоев углевмещающей толщи, 104 МПа В ар иа нт П оч ва вы ра бо тк и С во д вы ра бо тк и С ло й на д св од ом в ы ра бо тк и В ар иа нт П оч ва вы ра бо тк и С во д вы ра бо тк и С ло й на д св од ом в ы ра бо тк и В ар иа нт П оч ва вы ра бо тк и С во д вы ра бо тк и С ло й на д св од ом в ы ра бо тк и 1 0.3 0.3 0.3 10 0.3 0.3 1.0 19 0.3 1.0 0.6 2 0.3 0.6 0.3 11 0.6 0.3 1.0 20 0.6 1.0 0.6 3 0.3 1.0 0.3 12 0.6 0.6 1.0 21 1.0 1.0 0.6 4 0.6 0.6 0.3 13 0.3 0.6 1.0 22 0.3 0.3 0.6 5 1.0 0.6 0.3 14 0.3 1.0 1.0 23 0.6 0.3 0.6 6 0.6 1.0 0.3 15 0.6 1.0 1.0 24 1.0 0.3 0.6 7 1.0 1.0 0.3 16 1.0 0.3 1.0 25 0.3 0.6 0.6 8 1.0 0.3 0.3 17 1.0 0.6 1.0 26 0.6 0.6 0.6 9 0.6 0.3 0.3 18 1.0 1.0 1.0 27 1.0 0.6 0.6 Несмотря на различные сочетания деформаци- онных характеристик приведенных в Таблице 1 было установлено, что в кровле и почве выработки размеры зон предельного состояния достаточно стабильны и охватывают два породных слоя в кров- ле и один – в почве. В боках выработки наблюдает- ся ярко выраженная область опорного давления от действия сжимающих напряжений, размеры кото- рой определяются глубиной разработки и прочност- ными характеристиками близлежащих породных слоев. В рамной крепи снижение приведенных напряжений происходит в случае залегания в непо- средственной кровле хотя бы одного породного слоя повышенной жесткости. Расчет НДС модели Влияние типового сечения выработки С крепью КМП-А3 С крепью КШПУ Закономерности влияния площади поперечного сечения выработки Закономерности развития перемещений периметра пластовой выработки Закономерности влияния модулей деформации породных слоев Закономерности влияния сопроти- вления сжатию породных слоев Закономерности влияния модулей спада породных слоев Закономерности влияния остаточ- ной прочности породных слоев Закономерность влияния глубины разработки Рисунок 5. Схема проведения исследования НДС модели одного породного слоя повышенной жесткости V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 30 Вторая задача исследований – расчет НДС систе- мы “слоистый массив – крепь подготовительной выработки” (Рис. 5) – выполнена при условии нару- шенных контактов между слоями и моделирования полных диаграмм деформирования всех составляю- щих элементов: для каждого из породных слоев и угольного пласта модели использована общеприня- тая в геомеханических задачах полная диаграмма, состоящая из трех линейных участков (упруго- пластическая стадия с модулем деформации, разупрочнение с модулем спада, разрыхление на стадии “руинного” разрушения с остаточной прочно- стью); для рамной крепи использована реальная диа- грамма нагружения стали Ст5, учитывающая пло- щадку текучести и стадию упрочнения; полная диа- грамма породной забутовки в закрепном простран- стве определена на основе шахтных экспериментов. Таблица 2. Варианты расчетного предела прочности на одноосное сжатие близлежащих породных слоев углевмещающей толщи В ар иа нт ( )1п сжσ , МПа ( )1к сжσ , МПа ( )2к сжσ , МПа В ар иа нт ( )1п сжσ , МПа ( )1к сжσ , МПа ( )2к сжσ , МПа В ар иа нт ( )1п сжσ , МПа ( )1к сжσ , МПа ( )2к сжσ , МПа 1 5 5 5 10 5 5 20 19 5 20 10 2 5 10 5 11 10 5 20 20 10 20 10 3 5 20 5 12 10 10 20 21 20 20 10 4 10 10 5 13 5 10 20 22 5 5 10 5 20 10 5 14 5 20 20 23 10 5 10 6 10 20 5 15 10 20 20 24 20 5 10 7 20 20 5 16 20 5 20 25 5 10 10 8 20 5 5 17 20 10 20 26 10 10 10 9 10 5 5 18 20 20 20 27 20 10 10 Таблица 3. Варианты соотношения параметров запредельного состояния близлежащих породных слоев углевмещающей толщи Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 ( ) К сж К сж 2 0 2 σ σ 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 ( ) К сж К сж 1 0 1 σ σ 0.1 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2 ( ) П сж П сж 1 0 1 σ σ 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 К К E M 2 2 0.5 0.5 0.5 0.5 3.0 3.0 3.0 3.0 К К E M 1 1 0.5 0.5 3.0 3.0 0.5 0.5 3.0 3.0 П П E M 1 1 0.5 3.0 0.5 3.0 0.5 3.0 0.5 3.0 V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 31 При решении второй задачи были выполнены расчеты по 27 вариантам сочетаний модуля дефор- мации близлежащих породных слоев (Табл. 1) с ис- пользованием 27 вариантов сочетаний расчетного сопротивления пород сжатию приведенных в Табли- це 2. При этом для изучения влияние запредельного состояния пород на НДС системы в расчетах исполь- зовались 16 вариантов описания параметров остаточ- ной прочности приведенных в Таблице 3. 5. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Различные сочетания прочностных и деформаци- онных характеристик по каждому из близлежащих породных слоев обуславливают разную степень их влияния на изменение поля напряжений и перемеще- ний с ростом глубины расположения выработки. Определяющим фактором является вид состояния близлежащих породных слоев и угольного пласта при конкретной глубине залегания (Ren & Buckeridge, 2003). При повышенных прочностных характеристи- ках близлежащих породных слоев их частично до- предельное состояние предопределяет связь напря- жений и перемещений с глубиной, близкую к линей- ной; вариация модуля деформации в интервале (0.3 – 1.0)·104 МПа изменяет напряжения до 55%, а перемещения до 131%. Благодаря проскальзыванию соседних породных слоев относительно друг друга выявлена достаточная независимость поля напряжений породного слоя от вида состояния соседних слоев. С наступлением предельного состояния хотя бы одного из близлежащих породных слоев при пони- женных прочностных характеристиках зависимость НДС массива от глубины становится существенно нелинейной. В запредельном состоянии рост пере- мещений усиливается, а напряжений уменьшается; при этом деформационные характеристики слоев несущественно влияют на поле напряжений, а сме- щения контура выработки, особенно в ее почве, мо- гут изменяться до 2.5 раз и в некоторых вариантах на глубинах 600500 −=Н м происходит заполнение разупрочненной породой практически всей полости выработки. В слоях с более высокими прочностными харак- теристиками поле напряжений в малой степени зави- сит от перехода соседнего слоя в предельное состоя- ние, а слои пониженной прочности с увеличением глубины переходят в предельное состояние практи- чески независимо от прочностных характеристик соседних более крепких породных слоев. В отличие от поля напряжений, поле перемеще- ний, особенно эпюра смещения породного контура, тесно связаны с механическими характеристиками не только исследуемого породного слоя, но и соседних слоев. В формировании перемещений участка конту- ра выработки участвуют, все механические характе- ристики полной диаграммы деформирования пород- ного слоя, примыкающего к рассматриваемому участку – деформационные характеристики оказывают влияние до 100 – 150%, а прочностные – до 6 – 8 раз в исследованном диапазоне их изменения. Из механических характеристик соседних слоев, существенное влияние оказывают преимущественно пределы прочности на сжатие и модуль деформации, а параметры запредельного состояния влияют в меньшей степени. Особенности развития перемещений в боках и почве выработки, охарактеризованы как действие “эффекта штампа”, когда более жесткие и менее разупрочненные вышележащие породные слои в совокупности с угольным пластом интенсифицируют процесс перемещений боков и почвы в полость выра- ботки; этот эффект специалистами отмечался ранее в качественном плане, теперь получены конкретные количественные закономерности. НДС рамной крепи и закономерности его измене- ния с ростом глубины являются нелинейными, осо- бенно при переходе близлежащих породных слоев в запредельное состояние; образование системы пла- стических шарниров по контуру рамной крепи спо- собствует (в ряде вариантов) развитию таких ее пе- ремещений, которые исключают возможность даль- нейшей эксплуатации выработки. 6. ВЫВОДЫ В слоистом массиве слабых пород переход в пре- дельное и запредельное состояния наступает в не предсказуемых по величине и расположению зонах и элементах системы “слоистый массив – крепь выра- ботки”. Поэтому для повышения адекватности гео- механической модели НДС каждого ее элемента должно рассчитываться по полной диаграмме дефор- мирования с учетом особенностей конкретного мате- риала, что впервые выполнено для горно- геологических и горнотехнических условий Западно- го Донбасса и позволяет глубже раскрыть механизм развития геомеханических процессов в окрестности выемочной выработки. Выявлено, что относительная независимость де- формирования породных слоев при их проскальзы- вании друг относительно друга в окрестности выра- ботки порождает высокую степень независимости поля напряжений отдельного породного слоя от вида состояния соседних слоев, что интенсифицирует развитие перемещений контура крепи выработки. БЛАГОДАРНОСТЬ Данная работа была бы невозможна без поддерж- ки ООО “ДТЭК Энерго”. Приведенные исследова- ния выполнялись в рамках государственной научно- исследовательской тематики. Авторы работы выра- жают признательность профессорам Национального горного университета Владимиру Бондаренко и Ирине Ковалевской за поддержку в проведении исследований. REFERENCES Bondarenko, V., Kovalevska, I., Simanovich, G., & Fomychov, V. (2010). Tendentsii izmeneniya napryazhennogo sostoyaniya slabykh porod krovli plastovoy vyrabotki. In Forum hirnykiv (pp. 183-188). Dnipropetrovsk: Natsionalnyi hirnychyi universytet. V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 32 Kovalevska, I., Illiashov, M., Fomychov, V., & Chervatuk, V. (2012). The formation of the finite-element model of the system “undermined massif – support of stope”. Geome- chanical Processes during Underground Mining: School of Underground Mining 2012, 73-79. http://dx.doi.org/10.1201/b13157-13 Kurlenya, M.V., & Oparin, V.N. (1999). Problems of nonlinear geomechanics. Part 1. Journal of Mining Science, 35(3), 216-230. http://dx.doi.org/10.1007/bf02550237 Oparin, V.N., Akinin, A.A., Vostrikov, V.I., & Yushkin, V.F. (2003). Nonlinear Deformation Processes in the Vicinity of Mine Workings. Part I. Journal of Mining Science, 39(4), 315-322. http://dx.doi.org/10.1023/b:jomi.0000023182.34424.9e Pavlova, L. (2005). Modelirovanie geomekhanicheskikh pro- tsessov v razrushaemom ugleporodnom massive. Novokuz- netsk: Sibirskiy gosudarstvennyy industrial’nyy universitet. Ren, G., Li, J., & Buckeridge, J. (2010). Calculation of min- ing subsidence and ground principal strains using general- ized influence function method. Mining Technology, 119(1), 34-41. http://dx.doi.org/10.1179/037178410x12698490396994 Yang, W., Lin, B., Qu, Y., Li, Z., Zhai, C., Jia, L., & Zhao, W. (2011). Stress evolution with time and space during mining of a coal seam. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48(7), 1145-1152. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2011.07.006 Zhu, S., Jian, Z., Hou, H., Xiao, W., & Yao, P. (2008). Analyti- cal model and application of stress distribution on mining coal floor. Journal of China University of Mining and Technology, 18(1), 13-17. http://dx.doi.org/10.1016/s1006-1266(08)60003-6 ABSTRACT (IN RUSSIAN) Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспериментов было выполнено на основе метода конечных эле- ментов с использованием объемной расчетной области при условии запредельного нелинейного поведения моделируемых материалов. Применение сеточных численных методов позволяет создавать геометрически и физически сложные расчетные модели и при этом манипулировать их состоянием в широких пределах. Результаты. В результате расчетов установлено, что при слабых связях между соседними слоями, действу- ющие касательные напряжения их разрушают в окрестности выработки, и смежные породные слои деформи- руются с проскальзыванием друг относительно друга. Анализ поля приведенных напряжений позволил с доста- точной для горнотехнических расчетов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной обла- сти, наиболее полно отражающей все основные особенности реального горного массива, влияющие на погреш- ность проводимых расчетов. Этот выбор обеспечивает величину привносимой погрешности в пределах 10% во всем диапазоне изменения механических параметров породных слоев горного массива. Научная новизна. Напряженно-деформированное состояние рамной крепи и закономерности его изменения с ростом глубины являются нелинейными, особенно при переходе близлежащих породных слоев в запредель- ное состояние; образование системы пластических шарниров по контуру рамной крепи способствует развитию таких ее перемещений, которые исключают возможность дальнейшей эксплуатации выработки. Практическая значимость. Выработанная методика позволяет определять оптимальные показатели под- держания горной выработки, пройденной в мелкослоистом породном массиве, что позволяет существенно сни- зить эксплуатационные затраты. Ключевые слова: горная выработка, напряженно-деформированное состояние, рамная крепь, нелинейные деформации, породный массив ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета. Обґрунтування методики прогнозу проявів гірського тиску в системі “шаруватий масив – кріплення виробки” на основі виявлення закономірностей зсуву довільної точки контуру підготовчої виробки при прове- денні обчислювальних експериментів. Методика. Проведення обчислювальних експериментів було виконано на основі методу кінцевих елементів з використанням об’ємної розрахункової області за умови позамежного нелінійного поводження матеріалів, що моделюються. Застосування сіткових чисельних методів дозволяє створювати геометрично й фізично складні розрахункові моделі й при цьому маніпулювати їх станом у широких межах. Результати. У результаті розрахунків встановлено, що при слабких зв’язках між сусідніми шарами, діючі дотичні напруження їх руйнують в околиці виробки, і суміжні породні шари деформуються із проковзуванням один щодо одного. Аналіз поля наведених напруг дозволив з достатньою для гірничотехнічних розрахунків точністю обґрунтувати єдину усереднену структуру розрахункової області, що найбільше повно відбиває всі основні особливості реального гірського масиву, що впливають на погрішність проведених розрахунків. Цей вибір забезпечує величину погрішності, що привноситься, у межах 10% у всьому діапазоні зміни механічних параметрів породних шарів гірського масиву. Наукова новизна. Напружено-деформований стан рамного кріплення та закономірності його зміни з ростом глибини є нелінійними, особливо при переході прилеглих породних шарів у позамежний стан; утворення сис- теми пластичних шарнірів по контурі рамного кріплення сприяє розвитку таких її переміщень, які виключають можливість подальшої експлуатації виробки. V. Fomychov, V. Pochepov, V. Lapko, L. Fomychova. (2016). Mining of Mineral Deposits, 10(2), 25-33 33 Практична значимість. Створена методика дозволяє визначати оптимальні показники підтримки гірничої ви- робки, яку пройдено в дрібношаруватому породному масиві, що дозволяє істотно знизити експлуатаційні витрати. Ключові слова: гірнича виробка, напружено-деформований стан, рамне кріплення, нелінійні деформації, породний масив ARTICLE INFO Received: 2 February 2016 Accepted: 12 April 2016 Available online: 30 June 2016 ABOUT AUTHORS Vadym Fomychov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Underground Mining Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/60, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: fomichov@inbox.ru Viktor Pochepov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Underground Mining Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/58, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: vnpochepov@mail.ru Viktor Lapko, Assistant Professor of the Underground Mining Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 4/58, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: vvlapko@mail.ru Liudmyla Fomychova, Candidate of Technical Sciences, Professor of the Higher Mathematics Department, National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 5/25а, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine. E-mail: lyfomichova@mail.ru

Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив-крепь выработки”

Institution

Ähnliche Einträge