Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой
Важнейшей задачей, стоящей перед угольной отраслью Украины традиционно является обеспечение эксплуатационного состояния горных выработок и повышение их надежности. Целью исследований, представленных в статье, является изучение изменения геомеханической ситуации вокруг подготовительной выработки при...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109565 |
| 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: | Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой / И.Г. Сахно // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 176-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-109565 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1095652016-12-02T03:03:32Z Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой Сахно, И.Г. Важнейшей задачей, стоящей перед угольной отраслью Украины традиционно является обеспечение эксплуатационного состояния горных выработок и повышение их надежности. Целью исследований, представленных в статье, является изучение изменения геомеханической ситуации вокруг подготовительной выработки при ее переходе в зону поддержания позади очистного забоя и установление влияния жесткости охранного сооружения на устойчивость подготовительной выработки за лавой. Исследование проводилось методом конечных элементов. В результате моделирования установлено, что при поддержании выработок за лавой локализация максимальных напряжений и вид объемного напряженного состояния в основной кровле, зависающей на границе с выработанным пространством, определяется жесткостью охранной полосы. Область формирования максимальных напряжений в основной кровле определяет место ее разрушения и устойчивость охраняемой выработки. При недостаточной жесткости охранной полосы или ее запоздалом включении в работу возникает необходимость разработки способов охраны направленных на принудительное обрушение основной кровли над охранной полосой с целью обеспечения устойчивости выработок за лавой. В результате проведенных исследований определена область применения способов принудительного обрушения основной кровли. Найважливішим завданням, що стоїть перед вугільною галуззю України традиційно є забезпечення експлуатаційного стану гірничих виробок і підвищення їх надійності. Метою досліджень, представлених у статті, є вивчення зміни геомеханічної ситуації навколо підготовчої виробки при її переході в зону підтримання позаду очисного вибою і встановлення впливу жорсткості охоронної споруди на стійкість підготовчої виробки за лавою. Дослідження проводилося методом кінцевих (скінченних) елементів. У результаті моделювання встановлено, що при підтримці (підтриманні) виробок за лавою локалізація максимальних напруг (напружень) и т.д. і вид об'ємного напруженого стану в основній покрівлі, на кордоні з виробленим простором, визначається жорсткістю охоронної смуги. Область формування максимальних напруг в основній покрівлі визначає місце її руйнування і стійкість виробки, яка охороняється. При недостатній жорсткості охоронної смуги або її запізнілому включенні в роботу виникає необхідність розробки способів охорони націлених на примусове обвалення основної покрівлі над охоронною смугою з метою забезпечення стійкості виробок за лавою. В результаті проведених досліджень визначено область застосування способів примусового обвалення основної покрівлі. The most important challenge with which the Ukrainian coal industry traditionally faces is providing an operating stability for the mine tunnels and improving their reliability. Purpose of the research presented in this paper is to study changes in the geomechanical situation around a preparatory roadway when it enters a supporting zone behind a stope and to determine an impact of rigidity of a protective construction on stability of the preparatory roadway after the longwall. The study was conducted by finite element method. The simulation found that at supporting the tunnel after the longwall, location of maximum stresses and type of the volume stress state in the main roof on the border with the goaf were dependent on the rigidity of protective construction. Area of the maximum stress formation in the main roof determines a point of the roof destruction and stability of the protected tunnel. In case of insufficient rigidity of the protective construction or its delayed inclusion into the work it is necessary to develop special methods of protection which can cause a forced destruction of the main roof over the protective construction and ensure the tunnel stability after the longwall. The studies defined spheres where methods of the forced destruction of the main roof can be applied. 2014 Article Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой / И.Г. Сахно // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 176-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109565 622.831:622.261 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Важнейшей задачей, стоящей перед угольной отраслью Украины традиционно является обеспечение эксплуатационного состояния горных выработок и повышение их надежности. Целью исследований, представленных в статье, является изучение изменения геомеханической ситуации вокруг подготовительной выработки при ее переходе в зону поддержания позади очистного забоя и установление влияния жесткости охранного сооружения на устойчивость подготовительной выработки за лавой.
Исследование проводилось методом конечных элементов. В результате моделирования установлено, что при поддержании выработок за лавой локализация максимальных напряжений и вид объемного напряженного состояния в основной кровле, зависающей на границе с выработанным пространством, определяется жесткостью охранной полосы. Область формирования максимальных напряжений в основной кровле определяет место ее разрушения и устойчивость охраняемой выработки. При недостаточной жесткости охранной полосы или ее запоздалом включении в работу возникает необходимость разработки способов охраны направленных на принудительное обрушение основной кровли над охранной полосой с целью обеспечения устойчивости выработок за лавой. В результате проведенных исследований определена область применения способов принудительного обрушения основной кровли. |
| format |
Article |
| author |
Сахно, И.Г. |
| spellingShingle |
Сахно, И.Г. Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Сахно, И.Г. |
| author_sort |
Сахно, И.Г. |
| title |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| title_short |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| title_full |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| title_fullStr |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| title_full_unstemmed |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| title_sort |
влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109565 |
| citation_txt |
Влияние жесткости охранного сооружения на напряженно-деформированное состояние породного массива вокруг выработок, поддерживаемых за лавой / И.Г. Сахно // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 115. — С. 176-187. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT sahnoig vliâniežestkostiohrannogosooruženiânanaprâžennodeformirovannoesostoânieporodnogomassivavokrugvyrabotokpodderživaemyhzalavoj |
| first_indexed |
2025-07-07T23:19:55Z |
| last_indexed |
2025-07-07T23:19:55Z |
| _version_ |
1837032167450869760 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 176
УДК 622.831:622.261
И.Г. Сахно, канд. техн. наук, доцент
(ГВУЗ «ДонНТУ»)
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ОХРАННОГО СООРУЖЕНИЯ НА
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОДНОГО
МАССИВА ВОКРУГ ВЫРАБОТОК, ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ЗА ЛАВОЙ
І.Г. Сахно, канд. техн. наук, доцент
(ДВНЗ «ДонНТУ»)
ВПЛИВ ЖОРСТКОСТІ ОХОРОННОЇ СПОРУДИ НА НАПРУЖЕНО-
ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ПОРОДНОГО МАСИВУ НАВКОЛО
ВИРОБОК, ЯКІ ПІДТРИМУЮТЬСЯ ЗА ЛАВОЮ
I.G. Sakhno, Ph.D. (Tech.), Associate Professor
(SHEE «DonNTU»)
IMPACT OF RIGIDITY OF A PROTECTIVE CONSTRUCTION ON THE
STRESS-STRAIN STATE OF THE ROCK MASS AROUND THE
ROADWAYS SUPPORTED AFTER THE LONGWALL
Аннотация. Важнейшей задачей, стоящей перед угольной отраслью Украины традици-
онно является обеспечение эксплуатационного состояния горных выработок и повышение их
надежности. Целью исследований, представленных в статье, является изучение изменения
геомеханической ситуации вокруг подготовительной выработки при ее переходе в зону под-
держания позади очистного забоя и установление влияния жесткости охранного сооружения
на устойчивость подготовительной выработки за лавой.
Исследование проводилось методом конечных элементов. В результате моделирования
установлено, что при поддержании выработок за лавой локализация максимальных напряже-
ний и вид объемного напряженного состояния в основной кровле, зависающей на границе с
выработанным пространством, определяется жесткостью охранной полосы. Область форми-
рования максимальных напряжений в основной кровле определяет место ее разрушения и
устойчивость охраняемой выработки. При недостаточной жесткости охранной полосы или ее
запоздалом включении в работу возникает необходимость разработки способов охраны на-
правленных на принудительное обрушение основной кровли над охранной полосой с целью
обеспечения устойчивости выработок за лавой. В результате проведенных исследований оп-
ределена область применения способов принудительного обрушения основной кровли.
Ключевые слова: горная выработка, напряжения, деформации, разрушение, обрушение,
кровля.
Введение. Долгие годы одной из основных проблем угольных шахт Украи-
ны является недостаточная эксплуатационная надежность горных выработок.
Сложившееся положение с проведением и ремонтом горных выработок приве-
ло к диспропорции в распределении рабочих по отдельным видам работ.
© И.Г. Сахно, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 177
Численность проходчиков практически сравнялась с численностью горнора-
бочих очистного забоя, а число работников вспомогательных служб за счет ра-
бочих по ремонту выработок превысила 70% от общей численности рабочих по
добыче [1].
Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед угольной отраслью Украины,
наряду с наращиванием уровня добычи и обновлением шахтного фонда, тради-
ционно является обеспечение эксплутационного состояния горных выработок и
повышение их надежности. Известно, что наибольшие смещения наблюдаются
в подготовительных выработках. Результаты оценки состояния подготовитель-
ных горных выработок показывают, что 14-17% их находятся в неудовлетвори-
тельном состоянии. При этом выработки, поддерживаемые за лавой, ремонти-
руются не менее одного раза.
Устойчивость горных выработок в первую очередь определяется напряжен-
но-деформированным состоянием (НДС) окружающего породного массива.
Изменение НДС в окружающих выработку породах на больших глубинах стала
причиной того, что большинство известных способов поддержания исчерпали
свои возможности в части обеспечения устойчивости выработок. На современ-
ных шахтах в качестве охранных сооружений наиболее часто используются
сплошные полосы, возводимые за лавой из различных материалов (бутовые по-
лосы, полосы из искусственных элементов, литые полосы). При этом разброс
модуля деформации материала охранных полос достигает трех порядков.
Целью исследований было изучение изменения (НДС) массива вокруг под-
готовительной выработки при переходе ее в зону поддержания позади очистно-
го забоя, установление влияния жесткости охранного сооружения на устойчи-
вость подготовительной выработки за лавой.
Методы исследований. Особенностью исследования геомеханических про-
цессов является широкое распространение физического и математического мо-
делирования. Методы физического моделирования, реализуемые в основном на
эквивалентных моделях, позволяют получать качественную картину сдвижений
и разрушений в породной толще. Однако реализация этих методов связана с
большой трудоемкостью изготовления моделей, их тарировки, значительными
затратами времени и относительно небольшим количеством получаемой ин-
формации. Кроме того, при применении этого метода достаточно сложно обес-
печить точность условий приготовления эквивалентного материала и пригрузки
модели при проведении серии однотипных экспериментов.
Математическое моделирование, реализуемое с помощью аналитических и
численных методов, является одним из основных современных инструментов,
позволяющих исследовать напряженно-деформированное состояние породного
массива.
В геомеханике в последнее время широко используются численные методы
моделирования. Из них лидирующее положение занимает метод конечных эле-
ментов (МКЭ) [2], с помощью которого и решалась поставленная задача. Реали-
зация МКЭ осуществлялась в программном комплексе ANSYS.
Теоретическая часть.
Моделировалась выработка арочной формы, поддерживаемая за лавой отра-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 178
батывающей пласт угля мощностью 1,5м на глубине 800м. Залегание пород ус-
ловно принято горизонтальным. Непосредственная кровля представлена алев-
ролитом мощностью 2,5м, прочностью на одноосное сжатие 40МПа. Основная
кровля - песчаник мощностью 6,0м, прочностью 70МПа. Породы почвы - ар-
гиллит с прочностью на одноосное сжатие 40МПа. Согласно описанной струк-
турной колонке пласта для каждого слоя задавались модуль деформации (МПа),
коэффициент поперечной деформации (Пуассона), угол внутреннего трения,
коэффициент сцепления, угол дилатансии. Исходные данные для моделирова-
ния были взяты из кадастра физических свойств горных пород [3] для условий
Донецко-Макеевского угленосного района. Материал, имитирующий горные
породы, описывали базовой изотропной моделью Друкера-Прагера. Решалась
объемная задача в нелинейной постановке. Рассматривается геомеханическая
ситуация формирующаяся в массиве за лавой после выемки угля и обрушения
непосредственной кровли. При этом исходили из предположения, что непо-
средственная кровля, имеющая относительно невысокую прочность обрушается
без существенных зависаний в выработанном пространстве.
Моделировали НДС пород вмещающих подготовительную выработку за ла-
вой в зависимости от типа охранного сооружения. В качестве способа охраны
выработки принята сплошная полоса. Так как охранные полосы могут иметь
различную ширину, усадку и податливость, их интегральным показателем при-
мем удельную жесткость полосы в направлении нормальном напластованию.
Эта характеристика позволяет оценивать способность элемента сопротивляться
деформации при внешнем воздействии, являясь, по сути, величиной обратной
податливости. Удельную жёсткость будем определять как произведение модуля
деформации на единицу площади сечения полосы. В модели предполагается
моментальное вступление в работу охранной полосы с заданным режимом де-
формирования. Моделируемые способы охраны приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Моделируемые охранные сооружения
№ п/п Способ охраны
Удельная жест-
кость полосы, сп
ГН
1 Литая полоса из быстротвердеющих материалов 12
2 Полоса из БЖБТ с деревянными прокладками 6
3 Угольный целик (до момента разрушения) 2
4 Полоса из породных полублоков 1,2
5 Бутокостры 0,6
6 Бутовая полоса (пневмозакладка) 0,2
7 Бутовая полоса (механическая закладка) 0,02
В настоящее время нет единого мнения о наиболее приемлемой теории
прочности для горных пород в объемном поле напряжений, существующие
классические теории прочности дают заниженные значения предельных напря-
жений в 3-8 раз в зависимости от вида объемного напряженного состояния. При
http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82&action=edit&redlink=1�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 179
этом предел прочности зависит от соотношений компонент тензора напряже-
ний. Поэтому анализ напряжений вокруг выработки проводился по картинам
распределения алгебраически наибольших (растягивающих) главных напряже-
ний – S1 ( 1σ ) (I теория прочности), по эквивалентным напряжениям – SEQV
(IV теория прочности, или критерий максимальной энергии формоизменения),
и по интенсивности напряжений – SINT, (теория максимальных касательных
напряжений, III теория прочности). Во всех этих гипотезах рассчитанные на-
пряжения необходимо сравнивать с пределом прочности (текучести) при про-
стом растяжении.
Результаты и их обсуждение. На рис. 1-3 представлены картины распреде-
ления напряжений вокруг охраняемой выработки при длине зависающей кон-
соли 30м, рассчитанные по разным теориям прочности при жесткости охранной
полосы 2ГН.
1 – область максимальных растягивающих напряжений
Рисунок 1 – Распределение главных напряжений S1 ( 1σ ) вокруг горной выработки под-
держиваемой за лавой при удельной жесткости полосы 2 ГН
Из рисунка 1 видно, что в верхней части основной кровли формируются две
области максимальных главных напряжений S1 ( 1σ ), напряжения в которых
достигают предельных. При этом над охранной полосой эта область имеет
больший размер и возникающие в ней напряжения больше. Это может свиде-
тельствовать о вероятном месте обрушения консоли над охранной полосой.
Анализ рисунков 2 и 3 показывает, что в кровле в тех же местах формируются
максимальные напряжения SINT и SEQV, однако абсолютная величина этих
напряжений больше над угольным пластом.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 180
Рисунок 2 – Распределение напряжений SINT вокруг горной выработки поддерживаемой
за лавой при удельной жесткости полосы 2 ГН
1 – область максимальных напряжений
То-же, что и на 1 рисунке
Рисунок 3 – Распределение напряжений SEQV вокруг горной выработки,
поддерживаемой за лавой при удельной жесткости полосы 2 ГН
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 181
В области максимальных напряжений превышение над предельными более
чем в 2 раза. Это может свидетельствовать об обрушении консоли со стороны
пласта.
Изменение жесткости охранного сооружения приводит к смещению области
максимальных напряжений в основной кровле относительно охраняемой подго-
товительной выработки, что наглядно видно на рисунке 4. Так при охране вы-
работки бутовой полосой возводимой с помощью пневмозакладки область мак-
симальных напряжений S1 ( 1σ ) смещается в сторону нетронутого пласта.
1 – область максимальных растягивающих напряжений
Рисунок 4 – Распределение главных напряжений S1 ( 1σ ) вокруг горной выработки под-
держиваемой за лавой при удельной жесткости полосы 0,2 ГН
Для оценки влияния жесткости охранного сооружения на локализацию об-
ласти максимальных напряжений в основной кровле, и соответственно вероят-
ное место разрушений кровли проанализируем напряжения, формирующиеся в
верхней части зависающей консоли основной кровли. Точки фиксации напря-
жений приведены на рисунке 5. Начало координат на рисунке 5 соответствует
центру свода арочной крепи.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 182
1 – линия в верхней части зависающей консоли основной кровли
Рисунок 5 – Схема модели с точками фиксации напряжений
На рисунках 6 и 7 приведены графики изменения расчетных напряжений
( 1σ ), и SEQV в модели по линии 1, проведенной посредине верхней грани слоя
основной кровли. Ось ординат на графике соответствует поперечной оси сече-
ния охраняемой выработки. Положительное направление оси абсцисс совпадает
с направлением от выработки на выработанное пространство лавы.
-2
0
2
4
6
8
10
-10 -5 0 5 10 15
l, м
S1, МПа
1
2
3
4
5
6
7
1 – 12ГН, 2 – 6ГН, 3 – 2 ГН, 4 – 1,2ГН, 5 – 0,6ГН, 6 – 0,2ГН, 7 – 0,02ГН.
То-же, что и на 1 рисунке, оси – по краям
Рисунок 6 - Расчетные напряжения S1 ( 1σ ) по линии 1, проведенной по верхней грани
слоя основной кровли, при жесткости охранной полосы соответственно
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 183
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-10 -5 0 5 10 15
l, м
SEQV, МПа
1
2
3
4
5
6
7
Рисунок 7 – Расчетные напряжения SEQV по линии 1, проведенной по верхней грани
слоя основной кровли, при жесткости охранной полосы соответственно 1 – 12ГН, 2 – 6ГН, 3
– 2 ГН, 4 – 1,2ГН, 5 – 0,6ГН, 6 – 0,2ГН, 7 – 0,02ГН
Из рисунков видно, что в кровле формируются две области максимальных
напряжений ( ( 1σ ) и). Место их локализации над охранной полосой (точка 11
рис. 5, горизонтальная координата 6 рис. 6, 7), и над пластом (между точками 3
и 4 рис. 5, горизонтальная координата -5 рис. 6, 7).
Сравнение показывает, что с точки зрения первой теории прочности (рис. 6)
равновероятно разрушение и над охранной полосой и над пластом при жестко-
сти полосы 1,2ГН, так как максимальные растягивающие напряжения одинако-
вы и составляют 5,15МПа. С позиций энергетической теории прочности (рис. 7)
равновероятно разрушение над охранным сооружением и пластом при жестко-
сти полосы 6ГН, максимальные напряжения около 10,5МПа. Таким образом,
разница при принятии различных теорий прочности в 5 раз. Поскольку породы
находятся в объемном поле напряжений для выбора более подходящей теории
прочности для дальнейшего анализа проанализируем графики зависимости па-
раметра напряженного состояния Лоде-Надаи σμ для основной кровли по ли-
нии 1 (рис. 8) и в точках максимумов напряжений (рис. 9) от жесткости охран-
ной полосы. Известно, что наименее энергоемкий вид объемного напряженного
состояния «обобщенный сдвиг» [4].
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 184
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
-10 -7,5 -5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 l, м
1
2
3
4
5
6
7
μσ
Рисунок 8 - Зависимость вида напряженного состояния σμ в основной кровле по линии
1, проведенной по верхней грани слоя основной кровли, при жесткости охранной полосы со-
ответственно 1 – 12ГН, 2 – 6ГН, 3 – 2 ГН, 4 – 1,2ГН, 5 – 0,6ГН, 6 – 0,2ГН, 7 – 0,02ГН при
длине консоли 30м
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0 2 4 6 8 10 12 cп, ГН
1
2
μσ
Риунок 9 - Зависимость вида напряженного состояния σμ в точках 11 (1) и между точка-
ми 3 и 4(2) по линии 1 от жесткости охранной полосы
Из графиков видно, что породы основной кровли в области максимальных
напряжений над охранной полосой (точка 11 рис. 5) при жесткости полосы от
12 до 2 ГН находятся в состоянии близком к обобщенному сдвигу, уменьшение
жесткости полосы менее 2ГН приводит к переходу напряженного состояния
ближе к обобщенному растяжению, которое является наиболее энергоемким
для разрушения. В тоже время область пород основной кровли над пластом
(между точками 3 и 4 рис. 5) при жесткости полосы от 12 до 2 ГН находятся в
состоянии между обобщенным сжатием и обобщенным сдвигом, а снижение
жесткости менее 2 приводит к приближению напряженного состояния к обоб-
щенному сдвигу. Из рисунка 9 можно сделать вывод, что при возникновении
одинаковых напряжений в областях максимумов, при диапазоне жесткости по-
лосы 12-2ГН, более вероятно обрушение над охранной полосой. Учитывая со-
отношение компонент тензора в области максимальных напряжений в основной
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 185
кровле и механизм обрушения консоли, а также то, что предел прочности гор-
ных пород на растяжение меньше предела прочности на сжатие примерно на
порядок примем в качестве критерия для дальнейшего анализа первую теорию
прочности.
Таким образом, для рассмотренного случая можно сделать вывод, что при
жесткости охранной полосы от 12 до 2 ГН (везде пробелы перед е. изм.) об-
ласть максимальных напряжений формируется в породах основной кровли над
охранным сооружением, в верхней части, зависающей породной консоли (точка
11 рис. 5), при этом породы в области максимума находятся в состоянии обоб-
щенного сдвига. Образование области максимальных напряжений обусловлено
изгибом основной кровли в выработанном пространстве после выемки угля.
Вероятно первичное разрушение пород основной кровли именно в этом месте.
Это обеспечит обрушение зависающей основной кровли в выработанное про-
странство, что приведет к снижению нагрузки на охранную полосу и контур
охраняемой подготовительной выработки. Это позволит обеспечить дальней-
шую устойчивость выработки.
При жесткости полосы от 2ГН до 1,2 ГН возникновение первичного разру-
шения равновероятно и над охранным сооружением и над пластом, и будет оп-
ределяться структурным строением пород.
При жесткости полосы менее 1,2ГН область максимальных напряжений
формируется в породах основной кровли над пластом, в верхней части, зави-
сающей породной консоли (между точками 3 и 4 рис. 5). Породы также нахо-
дятся в состоянии близком к обобщенному сдвигу. Вероятно первичное разру-
шение пород основной кровли над пластом. После обрушения основной кровли
в этом случае вес породной консоли частично ляжет на приконтурные породы и
охранное сооружение, что вызовет асимметричное нагружение крепи подгото-
вительной выработки и ее деформирование, дальнейшее развитие геомеханиче-
ских процессов вокруг выработки приведет к потере устойчивости охраняемой
выработки.
Очевидно, что полученные результаты определяются не только жесткостью
полосы пс , но и жесткостью угольного пласта ус , которая может колебаться,
поэтому более верно делать выводы не по абсолютным величинам жесткости
охранной полосы, а по ее отношению к жесткости угля. В решаемой задаче же-
сткость угольного пласта составляла 2,0 ГН. Таким образом, полученные ре-
зультаты можно свести к выводу, что при жесткости полосы больше чем уголь-
ного пласта 1>
у
п
с
с разрушение основной кровли будет происходить над охран-
ной полосой, что позволит сохранить устойчивость выработки. В случае, когда
жесткость полосы ниже жесткости угля 1<
у
п
с
с разрушение происходит над
угольным пластом, что приводит к значительной потере сечения выработки. А
при одинаковой жесткости угля и охранной полосы возникновение разрушения
равновероятно над охранным сооружением и над пластом и будет определяться
структурным строением пород.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 186
Из результатов исследований следует, что наиболее эффективными спосо-
бами охраны выработок за лавой являются жесткие сооружения – БЖБТ и ли-
тые полосы. При условии их возведения сразу после выемки угля и моменталь-
ного вступления в рабочий режим деформирования в основной кровле на гра-
нице с выработанным пространством формируются условия для ее обрушения
над охранной полосой, что создает предпосылки для обеспечения устойчивости
выработок за лавой. В случае недостаточной жесткости охранной полосы или
ее запоздалом включении в работу для поддержания выработок за лавой необ-
ходимо применять дополнительные мероприятия для принудительного обру-
шения консоли основной кровли со стороны выработанного пространства.
Выводы. Результаты проведенных исследований показывают, что при под-
держании выработок за лавой распределение напряжений и вид объемного на-
пряженного состояния в основной кровле, зависающей на границе с вырабо-
танным пространством, в большой степени определяется жесткостью охранной
полосы. Область формирования максимальных напряжений в основной кровле
определяет место ее разрушения и устойчивость охраняемой выработки.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при жесткости поло-
сы больше чем угольного пласта 1>
у
п
с
с разрушение основной кровли будет
происходить над охранной полосой, что позволит сохранить устойчивость вы-
работки. В случае, когда жесткость полосы ниже жесткости угля 1<
у
п
с
с разру-
шение основной кровли происходит над угольным пластом, что приводит к
значительной потере сечения выработки. А при одинаковой жесткости угля и
охранной полосы возникновение разрушения равновероятно над охранным со-
оружением и над пластом и будет определяться структурным строением пород.
Отсюда вытекает необходимость разработки способов охраны направлен-
ных на принудительное обрушение основной кровли над охранной полосой с
целью обеспечения устойчивости выработок за лавой и определяется область
применения этих способов.
_______________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабиюк, Г. В. Управление надежностью горных выработок: монография / Г.В. Бабиюк. – До-
нецк: Світ книги, 2012. – 420 с.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. – М.: Мир, 1975. – 539с.
3. Мельников Н. В. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Н. В. Мельников,
В. В. Ржевский, М. М. Протодьяконов – М.: Недра, 1975. 279 с.
4. Норель, Б.К. Изменение механической прочности угольного пласта в массиве / Б.К. Норель,
М.: Наука, 1982, 128с
_______________________________
REFERENCES
1. Babijuk, G.V. (2012), Upravleniye nadezhnostyju gornykh vyrabotok [Dependability management of
mine workings], Svіt knigi, Donetsk, Ukraine.
2. Zienkiewicz, О. (1975), Metod konechnikh elementov v tekhnike [The finite element method in the
technik], Mir, Мoscow, SU.
3. Melnikov, N. V., Rzhevskij V. V.and Protod'jakonov M. M. (1975), Spravochnik (kadastr)
fizicheskih svojstv gornyh porod [Handbook (cadastre) physical properties of rocks], Nedra, Мoscow, SU.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 187
4. Norel, B.K. (1982), Izmeneniye mehanicheskoy prochnosti ugolnogo plasta v massive [Changing the
mechanical strength of the coal seam in the array], Nauka, Мoscow, SU.
_______________________________
Об авторах
Сахно Иван Георгиевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Разработка месторождений полез-
ных ископаемых», Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный техниче-
ский университет» (ГВУЗ «ДонНТУ»), Донецк, Украина, sahno_i@mail.ru.
About the authors
Sahno Ivan Georgievich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor, State Higher
Educational Institution “Donetsk National Technical University”, Donetsk, Ukraine, e-mail:
sahno_i@mail.ru.
_______________________________
Анотація. Найважливішим завданням, що стоїть перед вугільною галуззю України тра-
диційно є забезпечення експлуатаційного стану гірничих виробок і підвищення їх надійності.
Метою досліджень, представлених у статті, є вивчення зміни геомеханічної ситуації навколо
підготовчої виробки при її переході в зону підтримання позаду очисного вибою і встанов-
лення впливу жорсткості охоронної споруди на стійкість підготовчої виробки за лавою.
Дослідження проводилося методом кінцевих (скінченних) елементів. У результаті моде-
лювання встановлено, що при підтримці (підтриманні) виробок за лавою локалізація макси-
мальних напруг (напружень) и т.д. і вид об'ємного напруженого стану в основній покрівлі, на
кордоні з виробленим простором, визначається жорсткістю охоронної смуги. Область фор-
мування максимальних напруг в основній покрівлі визначає місце її руйнування і стійкість
виробки, яка охороняється. При недостатній жорсткості охоронної смуги або її запізнілому
включенні в роботу виникає необхідність розробки способів охорони націлених на примусо-
ве обвалення основної покрівлі над охоронною смугою з метою забезпечення стійкості виро-
бок за лавою. В результаті проведених досліджень визначено область застосування способів
примусового обвалення основної покрівлі .
Ключові слова: гірнича виробка, напруги, деформації, руйнування, обвалення, покрів-
ля.
Abstract. The most important challenge with which the Ukrainian coal industry traditionally
faces is providing an operating stability for the mine tunnels and improving their reliability. Purpose
of the research presented in this paper is to study changes in the geomechanical situation around a
preparatory roadway when it enters a supporting zone behind a stope and to determine an impact of
rigidity of a protective construction on stability of the preparatory roadway after the longwall.
The study was conducted by finite element method. The simulation found that at supporting the
tunnel after the longwall, location of maximum stresses and type of the volume stress state in the
main roof on the border with the goaf were dependent on the rigidity of protective construction.
Area of the maximum stress formation in the main roof determines a point of the roof destruction
and stability of the protected tunnel. In case of insufficient rigidity of the protective construction or
its delayed inclusion into the work it is necessary to develop special methods of protection which
can cause a forced destruction of the main roof over the protective construction and ensure the tun-
nel stability after the longwall. The studies defined spheres where methods of the forced destruc-
tion of the main roof can be applied.
Keywords: tunnel, stress, deformation, destruction, caving, roof.
Статья поступила в редакцию 12.02.2014
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук К.К. Софийским
mailto:const@mine.dgtu.donetsk.ua�
mailto:sahno_i@mail.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №115 188
УДК 622.752.3:532.51
В.П. Франчук, д-р техн. наук, профессор,
А.А. Бондаренко, канд. техн. наук, доцент
(ДВУЗ «НГУ»)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В
ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КЛАССИФИКАТОРЕ
В.П. Франчук, д-р техн. наук, професор,
А.О. Бондаренко, канд. техн. наук, доцент
(ДВНЗ «НГУ»)
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ РУХУ РІДИНИ В
ГІДРАВЛІЧНОМУ ГОРИЗОНТАЛЬНОМУ КЛАСИФІКАТОРІ
V.P. Franchuk, D.Sc. (Tech.), Professor,
A.O. Bondarenko, Ph.D. (Tech.), Associate Professor
(SHEE «NMU»)
THEORETICAL BASIS FOR THE LIQUID FLOWING PROCESS IN
HYDRAULIC HORIZONTAL CLASSIFIER
Аннотация. Ввиду несоответствия качества природных нерудных песков, по набору ос-
новных контролируемых физико-механических свойств, действующим нормам к конечной
продукции требуется переработка исходного сырья. Как правило, первичная переработка
предусматривает, в том числе, отделение от песка мелких, пылеватых, глинистых, илистых
(диспергированных) примесей. Наиболее предпочтительным устройством, позволяющим
эффективно выделять мелкодисперсные примеси, может служить классификатор гидравли-
ческий горизонтальный. Процесс гравитационной переработки зернистых материалов в го-
ризонтальном потоке пульпы сопровождается течением несущего потока в пределах разно-
наклонных поверхностей, а также оттоком вниз сгущенной пульпы. Для корректного описа-
ния процесса разработана математическая модель движения потока в проточной части клас-
сификатора, с применением уравнения Эйлера для идеальной (невязкой) жидкости. В резуль-
тате математического моделирования получены теоретические зависимости для скорости и
ускорения потока, разделенного на характерные участки: разделения, осаждения, истечения.
Целью работы явилось разработка математической модели движения несущего горизонталь-
ного потока на участках разделения, осаждения и истечения проточной части классификато-
ра гидравлического горизонтального. Разработанная математическая модель позволяет полу-
чить значения скоростей и ускорений потока в характерных участках процесса, это позволит
обосновать рациональные параметры устройства, применяемого для гравитационной перера-
ботки зернистых материалов.
Ключевые слова: гравитационное разделение, классификатор горизонтальный, матема-
тическое моделирование, поток жидкости.
Актуальность. Исходное качество природных нерудных песков, по набору
основных контролируемых физико-механических свойств (модуль крупности,
процент глинистых и пылевидных частиц и др.) часто не соответствует дейст-
вующим нормам к конечной продукции. В связи с этим необходима переработ-
ка исходного сырья, которая предусматривает обычно отделение от песка круп-
ных включений, например гравийных фракций, мелких пылеватых и глинистых
(диспергированных) примесей, комовой глины, растительных включений и
примесей ракушки.
© В.П. Франчук, А.А. Бондаренко, 2014
|