Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням

Мета. Аналіз впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. Методика. Обчислювальний експеримент проведено на основі тривимірного моделювання геомеханічної системи підготовчої виробки із шаруватим породним масивом, що надпрацьовується лавою, методом скінченних елемен...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2023
1. Verfasser:	Шека, І.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2023
Schriftenreihe:	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
Schlagworte:	Прогнозування і управління станом гірничого масиву
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196473
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:	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням / І.В. Шека // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 67-79. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-196473
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1964732024-01-14T13:41:48Z Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням Шека, І.В. Прогнозування і управління станом гірничого масиву Мета. Аналіз впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. Методика. Обчислювальний експеримент проведено на основі тривимірного моделювання геомеханічної системи підготовчої виробки із шаруватим породним масивом, що надпрацьовується лавою, методом скінченних елементів з використанням нелінійних закономірностей зміни напружено-деформованого стану досліджуваного об'єкта у програмному продукті Ansys Mechanical. Результати. Розроблені розрахункові моделі геомеханічної системи дозволили визначити картину деформації композитного кріплення за різного його перерізу. найбільш висока концентрація напружень спостерігається при використанні базового металевого кріплення. Область σmax поширюється на 1,2 м і 1 м відповідно, після чого починається рівномірне зниження напружень. Область з максимальними напруженнями утворюється в центральній частині верхняка з невеликим ухилом у ліву сторону. При цьому при збільшенні перерізу композитного кріплення до 39 спостерігається поступове зменшення областей σmax. Результати досліджень дозволяють отримати максимально повну картину напружено-деформованого стану композитного кріплення виробки. На підставі проведених експериментів можна з високим ступенем об'єктивності визначити недоліки системи композитного кріплення, що буде покладено в основу для розробки раціональних параментрів кріплення із композитних матеріалів на великих глибинах. Наукова новизна. Вперше розроблено та розраховано тривимірну модель шаруватого гірського масиву з системою композитного кріплення різних перерізів. Встановлено, що при використанні композитного кріплення з перерізом 39 області σmax мають найменші значення. Практична значимість. Отримані результати доводять, що при надпрацюванні краще використовувати композитне кріплення перерізом 39, що разом з полегшенням конструкції та пришвидшенням роботи зміни буде сприяти розвитку підземного вуглевидобутку. Ключові слова: гірничі виробки, композитне кріплення, максимальні напруження, моделювання, надпрацювання, напружено-деформований стан Purpose. Analysis of the effect of overworking on the mining workings fixed by arched supports made of composite materials. Methods. The computational experiment was carried out on the basis of three-dimensional modeling of the geomechanical system of the preparatory work with a layered rock massif overworked by longwall, using the finite element method using non-linear regularities of changes in the stress-strain state of the object under study. Findings. The developed calculation models of the geomechanical system made it possible to determine the deformation pattern of the composite fastener for its various cross-sections. the highest stress concentration is observed when using a basic metal fastener. The region σmax extends to 1.2 m and 1 m, respectively, after which a uniform reduction of stresses begins. The region with maximum stresses is formed in the central part of the upper part with a slight inclination to the left. At the same time, when the cross-section of the composite fastener increases to 39, a gradual decrease in the σmax areas is observed. The results of the research allow us to obtain the most complete picture of the stress-strain state of the composite fastening of mine workings. On the basis of the conducted experiments, it is possible to determine with a high degree of objectivity the shortcomings of the composite fastening system, which will be the basis for the development of rational fastening parameters from composite materials at great depths. Originality. For the first time, a three-dimensional model of a layered massif with a composite fastening system of various cross-sections was developed and calculated. It was established that when installing a composite fastener with a cross-section of 39, the σmax regions have the smallest values. Practical implications. The obtained results prove that it is better to use a composite fastener with a cross-section of 39 when working overtime, which, together with the lightening of the structure and speeding up the work of the shift, will contribute to the development of underground coal mining. Keywords: mine workings, composite support, maximum stresses, modeling, overworking, stress-strain state 2023 Article Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням / І.В. Шека // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 67-79. — Бібліогр.: 25 назв. — укр. 2664-1771 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.006 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196473 622.28.042.44 uk Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Прогнозування і управління станом гірничого масиву Прогнозування і управління станом гірничого масиву
spellingShingle	Прогнозування і управління станом гірничого масиву Прогнозування і управління станом гірничого масиву Шека, І.В. Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
description	Мета. Аналіз впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. Методика. Обчислювальний експеримент проведено на основі тривимірного моделювання геомеханічної системи підготовчої виробки із шаруватим породним масивом, що надпрацьовується лавою, методом скінченних елементів з використанням нелінійних закономірностей зміни напружено-деформованого стану досліджуваного об'єкта у програмному продукті Ansys Mechanical. Результати. Розроблені розрахункові моделі геомеханічної системи дозволили визначити картину деформації композитного кріплення за різного його перерізу. найбільш висока концентрація напружень спостерігається при використанні базового металевого кріплення. Область σmax поширюється на 1,2 м і 1 м відповідно, після чого починається рівномірне зниження напружень. Область з максимальними напруженнями утворюється в центральній частині верхняка з невеликим ухилом у ліву сторону. При цьому при збільшенні перерізу композитного кріплення до 39 спостерігається поступове зменшення областей σmax. Результати досліджень дозволяють отримати максимально повну картину напружено-деформованого стану композитного кріплення виробки. На підставі проведених експериментів можна з високим ступенем об'єктивності визначити недоліки системи композитного кріплення, що буде покладено в основу для розробки раціональних параментрів кріплення із композитних матеріалів на великих глибинах. Наукова новизна. Вперше розроблено та розраховано тривимірну модель шаруватого гірського масиву з системою композитного кріплення різних перерізів. Встановлено, що при використанні композитного кріплення з перерізом 39 області σmax мають найменші значення. Практична значимість. Отримані результати доводять, що при надпрацюванні краще використовувати композитне кріплення перерізом 39, що разом з полегшенням конструкції та пришвидшенням роботи зміни буде сприяти розвитку підземного вуглевидобутку. Ключові слова: гірничі виробки, композитне кріплення, максимальні напруження, моделювання, надпрацювання, напружено-деформований стан
format	Article
author	Шека, І.В.
author_facet	Шека, І.В.
author_sort	Шека, І.В.
title	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
title_short	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
title_full	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
title_fullStr	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
title_full_unstemmed	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
title_sort	результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Прогнозування і управління станом гірничого масиву
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196473
citation_txt	Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням / І.В. Шека // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 67-79. — Бібліогр.: 25 назв. — укр.
series	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
work_keys_str_mv	AT šekaív rezulʹtatidoslídžennâvplivunadpracûvannânagírničívirobkiŝozakrípleníkompozitnimkríplennâm
first_indexed	2025-07-17T01:04:43Z
last_indexed	2025-07-17T01:04:43Z
_version_	1837854146043052032
fulltext	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 67 УДК 622.28.042.44 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.006 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ НАДПРАЦЮВАННЯ НА ГІРНИЧІ ВИРОБКИ, ЩО ЗАКРІПЛЕНІ КОМПОЗИТНИМ КРІПЛЕННЯМ І.В Шека1* 1Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна Відповідальний автор: e-mail: vsheka1996@mail.com RESULTS OF THE RESEARCH OF THE INFLUENCE OF OVERWORKING ON MININGING WORKINGS FIXED BY ARCHED SUPPORTS MADE OF COMPOSITE MATERIALS I. Sheka1 1Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine *Corresponding author: e-mail: vsheka1996@gmail.com ABSTRACT Purpose. Analysis of the effect of overworking on the mining workings fixed by arched supports made of composite materials. Methods. The computational experiment was carried out on the basis of three- dimensional modeling of the geomechanical system of the preparatory work with a layered rock massif overworked by longwall, using the finite element method using non-linear regularities of changes in the stress-strain state of the object un- der study. Findings. The developed calculation models of the geomechanical system made it possible to determine the deformation pattern of the composite fastener for its var- ious cross-sections. the highest stress concentration is observed when using a basic metal fastener. The region σmax extends to 1.2 m and 1 m, respectively, after which a uniform reduction of stresses begins. The region with maximum stresses is formed in the central part of the upper part with a slight inclination to the left. At the same time, when the cross-section of the composite fastener increases to 39, a gradual decrease in the σmax areas is observed. The results of the research allow us to obtain the most complete picture of the stress-strain state of the com- posite fastening of mine workings. On the basis of the conducted experiments, it is possible to determine with a high degree of objectivity the shortcomings of the composite fastening system, which will be the basis for the development of ra- tional fastening parameters from composite materials at great depths. Originality. For the first time, a three-dimensional model of a layered massif with a composite fastening system of various cross-sections was developed and calcu- lated. It was established that when installing a composite fastener with a cross- section of 39, the σmax regions have the smallest values. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 68 Practical implications. The obtained results prove that it is better to use a com- posite fastener with a cross-section of 39 when working overtime, which, together with the lightening of the structure and speeding up the work of the shift, will con- tribute to the development of underground coal mining. Keywords: mine workings, composite support, maximum stresses, modeling, overworking, stress-strain state 1. ВСТУП Вугільна промисловість України знаходиться на роздоріжжі: з одного бо- ку глобальний вплив тенденцій декарбонізації [1, 2], ESG-стратегії [3] та за- криття шахт, а з іншого – виклики повоєнної відбудови та збереження енер- гетичної незалежності [4]. В даний час одним з головних завдань удосконалення підземного вугле- видобутку є створення ефективних засобів та способів забезпечення стійкос- ті виробок, тому що, питання забезпечення стійкості гірничих виробок на вугільних шахтах залишається одним з найактуальніших у гірничому вироб- ництві [5, 6], так як від їх експлуатаційного стану залежить ефективність та безпечність проведення гірничих робіт. Виходячи із проаналізованих досліджень [7–9], зі збільшенням глибини розробки вугільних пластів на шахтах України с 500 до 1000 м зміщення по- рід у підготовчих виробках зростають майже у 3 рази, а навантаження на кріплення збільшується більш ніж у 2 рази, тим не менш, арочне піддатливе кріплення забезпечує несучу здатність. Однак, при збільшенні глибини роз- робки з 1000 м і більше, металеве кріплення вже не в повному обсязі може забезпечити надійність виробок [10], що обумовлюється незадовільним їх станом, та у майбутньому зумовлює перекріплення гірничих виробок, що будуть використовуватись повторно [11, 12]. Проблема підтримки підземних гірничих виробок новими видами кріп- лення набуває для гірничодобувної промисловості дедалі більшої актуаль- ності з основних причин: – по-перше, неухильна тенденція до ускладнення гірничо-геологічних умов розробки; – по-друге, постійно зростаючі матеріальні та трудові витрати на кріп- лення виробок; – по-третє, необхідність посилення вимог безпечного ведення підземних робіт. В дослідженнях [13, 14], обґрунтовувалась можливість використання вуг- лепластику як кріпильного матеріалу, а головною його якістю є висока міц- ність при вкрай високому модулі пружності та низькій щільності і повзучос- ті. У роботі [15] авторами проведено дослідження взаємодії кріплення з гір- ським масивом у пружній постановці задачі. Проблемою кріплення гірничих виробок в умовах надпрацювання у різні роки присвячено роботи Соцкова В.О. [16], Ільяшова М.А. [17], Новіко- вої Л.В. [18], Каніна В.А. [19], та Фомичова В.В. [20]. Надпрацювання досить сильно впливає на стан прохідницьких виробок, особливо на великих глибинах розробки. Розглянуті дослідження вказують Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 69 на те, що при надпрацюванні досить часто доводиться перекріплювати таку виробку. Виходячи із вищесказаного, метою роботи є встановлення впливу над- працювання на виробку, що закріплена композитним кріпленням в умовах «ШУ Покровське». Необхідно оцінити зміну напружено-деформованого стану (НДС) у кріпленні, яке пропонується до використання. 2. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ Для досягнення поставленої мети роботи дослідження проводилось за до- помогою математичного моделювання методом скінченних елементів (МСЕ) у програмному продукті Ansys Mechanical. Проведення обчислювального експерименту передбачало цілий комплекс досліджень по збору даних, їх обробці, підготовці та проведенню розрахун- ку та аналізу отриманих результатів. Таким чином, розв'язання задачі із за- стосуванням МCЕ необхідно розділити на кілька основних етапів, таких як 1. Постановка задачі. На основі проведеного аналізу сучасних уявлень про проблеми підтримки підготовчих виробок визначена необхідність про- ведення досліджень за допомогою обчислювального експерименту для об- ґрунтування раціональних параметрів композитного кріплення. 2. Обґрунтування та створення геометричної моделі. Аналітичними мето- дами встановлено оптимальну форму та розміри моделі шаруватого гірсь- кого масиву. Змодельовано конструкції композитного кріплення відповідно до розроблених моделей та даних паспорта кріплення штреку. 3. Обґрунтування фізико-механічних властивостей матеріалів. Відповідно до гірничо-геологічних умов відпрацювання 1 північної лави блоку № 11 ШУ «Покровське», а також геологічного прогнозу, заснованого на даних ге- ологорозвідувальних свердловин № 3650 та № 3751 для дренажного венти- ляційного штреку, задані всі необхідні фізико-механічні властивості порід для проведення максимально адекватного розрахунку. 4. Додавання граничних умов. На цьому етапі відбувається визначення та додавання навантажень та обмежень, що відповідають реальним умовам, вибір типу аналізу на основі умов навантаження та реакції системи. 5. Побудова сітки скінченних елементів. Розбивається кожний окремий елемент моделі на скінченні елементи, пов'язані між собою у вузлах. Виби- рається оптимальний тип та розмір сітки кожного елемента для досягнення максимально високої точності результатів експерименту. 6. Проведення автоматичного розрахунку системи рівнянь. При запуску розрахунку програма звертається за інформацією про модель та наванта- ження до бази даних та виконує обчислення. 7. Аналіз одержаних результатів. Для аналізу результатів розрахунку на- пружено-деформованого стану використовуються епюри інтенсивності σ, які дозволяють оцінити якісну та кількісну картину розподілу напружень у крі- пленні. На розробленій моделі методом скінченних елементів розраховуєть- ся поле розподілу інтенсивності напружень σ для композитного кріплення. Під час проведення обчислювальних експериментів вдалося врахувати максимальну кількість негативних факторів, які прямо чи опосередковано Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 70 впливають на збереження перерізу виробки та роботу композитного кріп- лення. Отримано та проаналізовано велику кількість даних про стан гірсь- кого масиву навколо прохідницької виробки та очисного вибою. В умовах ШУ «Покровське» оптимальним є використання комбінації двох основних видів кріплення [34]. При цьому відмінно зарекомендувала себе методика, яка дозволяє об'єднати анкерне та рамне кріплення в єдину вантажонесучу систему за допомогою канатних зв'язків. В результаті анкера, що закріплені в масиві, використовуються для підвищення ефекту опору ра- ми від тиску порід, спираючись на властивості міцності гірського масиву. Виходить повністю замкнута структура, яка максимально ефективно підт- римує контур виробки 3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ В результаті проведеного комплексного дослідження з використанням сучасних обчислювальних технологій встановлено низку особливостей про- явів гірського тиску при кріпленні виробок, що надпрацьовуються. Проведено серію розрахунків у пружно-пластичній постановці з різним перерізом композитного кріплення безпосередньо при надпрацюванні дре- нажного штреку. Використовувалася просторова модель вуглевмісного гір- ського масиву в околиці 1 північної лави блоку № 11 ШУ «Покровське». Для представлення результатів обчислювального експерименту вибрано епюри інтенсивності σ, вертикальних напружень σу та горизонтальних σх у породному масиві, а для системи композитного кріплення штреку викорис- тано епюри інтенсивності σ. Особливістю використання просторового моделювання є отримання ре- зультатів, які можна розглядати в різних площинах і робити зрізи у необхід- них місцях моделі для отримання максимально повної картини розподілу напружень у масиві. У зв'язку з цим для аналізу використано 63 епюри зага- льного виду масиву, а також поперечного перерізу для детального аналізу стану дренажного вентиляційного штреку. У роботі представлені епюри загального вигляду моделі лише для остан- нього етапу розрахунку (Рис. 1), коли очисний вибій розташовується над пі- дготовчою виробкою. Це зумовлено незначними відмінностями у розподілі напружень на різних етапах розрахунку, що свідчить про правильне обґрун- тування розмірів моделі. З усіх трьох епюр чітко проглядається утворення опорної зони тиску в боках виробки з боку залягання відпрацьованого вугільного пласта. Насам- перед такий розподіл напружень пов'язаний з тим, що обидва сусідні виїм- кові стовпи вже відпрацьовані і сталися порушення цілісності породної тов- щі, пов'язані зі заміщенням порожнин, що утворилися. Характер розподілу напружень практично повністю симетричний, розміри цих зон досягають 5 м завширшки і до 10 м заввишки. Концентрація напружень згідно епюри інтенсивності σ знаходиться в діапазоні 20 – 30 МПа, згідно з епюрами вер- тикальних напружень σу і горизонтальних σх стиснення перевищує 20 МПа. Ця концентрація напружень перевищує модуль пружності для породних ша- рів алевроліту та аргіліту, що залягають у цій зоні. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 71 а) б) в) Рисунок 1. Епюри загального виду моделі при розташуванні очисного вибою над підготовчою виробкою: а – інтенсивність напружень σ; б – вертикальні на- пруження σу; в – горизонтальні напруження σх Також, з іншого боку виробки відбувається утворення зони розвантажен- ня, яке показано на епюрі (Рис. 1, б). Концентрація розтягуючих напружень відбувається в діапазоні 0,5 – 2 МПа, які поширюються в покрівлю виробки на відстань 2 – 3 м і займають в ширину не більше 5 – 6 м. Варто зазначити, що отримані епюри показують цілком характерний розпо- діл напружень для виїмкових виробок після відпрацювання однієї з лав [21]. У зв'язку зі специфікою проведеного дослідження, більше значення має ситуація навколо надпрацьованої виробки, тому детальніше проаналізуємо поперечний переріз цієї моделі, де власне і показаний дренажний вентиля- ційний штрек. Для цих цілей також використані епюри інтенсивності σ, вер- тикальних напружень σу та горизонтальних σх для гірського масиву на остан- ньому етапі із серії експериментів, а також епюри інтенсивності σ для компо- зитного кріплення. У зв'язку зі специфікою пружно-пластичної поведінки ма- теріалів після переходу з пружного стану в пластичний практично припиня- ється зростання напружень, але при цьому збільшується приріст деформацій. Для ретельного аналізу НДС рамного та композитного кріплень викорис- тана епюра інтенсивності напружень σ, на яку окремо винесено тільки еле- менти кріплення без гірського масиву. По базовому варіанту рамного кріп- лення та композитного кріплення перерізом 33 (Рис. 2-а – 2-б), яке встанов- Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 72 люється у виробку, в умовах безпосереднього впливу фронтальної зони опо- рного тиску очисного вибою піддається досить високим навантаженням. У результаті 80 – 85% площі стояків і верхняка рами відбувається розподіл напружень, що перевищують 270 МПа. Це є критичним для збереження стійкості виробки, оскільки перевищує межу міцності легованої сталі, яка використовується для виготовлення спецпрофілю СВП. а) б) в) г) Рисунок 2. Епюра інтенсивності напружень σ при розташуванні очисного вибою над виробкою для кріплення: а – базового металевого; б) композитного кріплення 33; в) композитного кріплення 36; г) композитного кріплення 39 Анкери, які встановлені у покрівлю виробки, піддаються менш високим на- пруженням, однак у місцях контакту породних шарів між собою відбувається зсув літологічних різниць відносно один одного, що призводить до защемлення та можливого зрізу анкерів. У цій ситуації анкер не може повноцінно викорис- тати всю свою довжину, що в результаті може послабити кріпильний ефект. Композитне кріплення більшим перерізом (Рис. 2-в – 2-г), що встановлене у виробку, в умовах безпосереднього впливу фронтальної зони опорного ти- ску очисного вибою також піддається досить високим навантаженням. Але площа стояків та верхняку, де відбувається розподіл напружень, які переви- щують 270 МПа є меншою, ніж по базовому варіанту металевого кріплення Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 73 та композитного 33 перерізу, та складає 50 – 70 %. В результаті у стояках та верхняку рами відбувається розподіл напружень, які дорівнюють приблизно 240 – 250 МПа. Анкерне кріплення піддається менш високим напруженням, як і у базо- вому варіанті кріплення, однак у місцях контакту породних шарів між собою відбувається зсув літологічних різниць відносно один одного, що призво- дить до защемлення та можливого зрізу анкерів. У цій ситуації анкер не мо- же повноцінно використати всю свою довжину, що в результаті може посла- бити кріпильний ефект. Виходячи з одержаних значень встановлено залеж- ності зміни концентрації напружень σmax при надпрацюванні виробки лавою для різних видів кріплень. Рисунок 3. Залежність зміни концентрації напружень σmax при надпрацюванні виробки лавою для кріплення: 1 – базове металеве кріплення, 2 – композитне кріплення 33, 3 – композитне кріплення 36, 4 – композитне кріплення 39 При аналізі отриманого графіка найбільш висока концентрація напружень спостерігається при використанні базового металевого кріплення. Область σmax поширюється на 1,2 м і 1 м відповідно, після чого починається рівномі- рне зниження напружень. Область з максимальними напруженнями утворю- ється в центральній частині верхняка з невеликим ухилом у ліву сторону. При цьому при збільшенні перерізу композитного кріплення до 39 спостері- гається поступове зменшення областей σmax. Результати досліджень дозволяють отримати максимально повну картину НДС композитного кріплення виробки. На підставі проведених експеримен- тів можна з високим ступенем об'єктивності визначити недоліки системи композитного кріплення, що буде покладено в основу для розробки раціона- льних параментрів кріплення із композитних матеріалів на великих глибинах. Отримані результати не суперечать численним геомеханічним дослі- дженням у цій області [22–25]. Це підтверджує відповідність моделей реаль- ним умовам проведення гірничих виробок у вугільних шахтах. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 74 4. ВИСНОВКИ У роботі розроблена максимально деталізована геометрія моделі гірсь- кого масиву та композитного кріплення. Розроблено повноцінну просторову модель досліджуваної ділянки з урахуванням шарнірно-блокового зсуву порід. За результатами серії розрахунків було підтверджено адекватність моделі реальних умов, а також більш висока ефективність нелінійного розрахунку порівняно з лінійним. Зі зміною перерізу композитного кріплення області σmax зменшуються, аж до зниження напружень нижче цього рівня. При цьому зниження відбува- ється майже симетрично. Це пов'язано з перерозподілом НДС у боках виро- бок та зміною впливу тиску очисного вибою, що за різної величини перерізу композитного кріплення дає різну картину напружень. В результаті можна відзначити, що найбільш підходящим видом кріплен- ня буде композитне з перерізом 39, так як при використанні цього кріплення області σmax мають найменші значення. Найбільш тісна кореляція має місце між параметром перерізу композит- ного кріплення і відношенням H/R, що дозволило сформулювати один із ос- новних наукових висновків наступним чином: навантаження на композитне кріплення підготовчої виробки, знаходиться в прямо пропорційній степене- вій залежності від параметра H/R і зворотньо пропорційно перерізу компо- зитного кріплення. Це забезпечує вибір параметрів системи композитного кріплення зі зниженою матеріаломісткістю без погіршення стійкості виробки. Результати досліджень дозволяють отримати максимально повну картину НДС композитного кріплення виробки в умовах надпрацювання. На підставі проведених експериментів можна з високим ступенем об'єктивності визна- чити недоліки системи композитного кріплення, що буде покладено в осно- ву для розробки раціональних параментрів кріплення із композитних матері- алів на великих глибинах. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Karanfil, F., & Omgba, L.D. (2023). The energy transition and export diversification in oil-dependent countries: The role of structural factors. Ecological Economics, 204 https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2022.107681 2. Kermeli, K., Crijns-Graus, W., Johannsen, R.M., & Mathiesen, B.V. (2022). Energy efficiency potentials in the EU industry: Impacts of deep decarbonization technologies. Energy Efficiency, 15(8) https://doi.org/10.1007/s12053-022-10071-8 3. Bondarenko, V., Salieiev, I., Kovalevska, I., Chervatiuk, V., Malashkevych, D., Shyshov, M., & Chernyak, V. (2023). A new concept for complex mining of mineral raw material resources from DTEK coal mines based on sustainable development and ESG strategy. Mining of Mineral Deposits, 17(1), 1-6. https://doi.org/10.33271/mining17.01.001 4. Mamaikin, O., Kicki, J., Salli, S., & Horbatova, V. (2017). Coal industry in the context of ukraine economic security. Mining of Mineral Deposits, 11(1), 17-22. https://doi.org/10.15407/mining11.01.017 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 75 5. Snihur, V. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Husiev, O., & Shaikhlislamova, I. (2022). Optimization solution substantiation for resource- saving maintenance of workings. Mining of Mineral Deposits, 16(1), 9-18. https://doi.org/10.33271/mining16.01.009 6. Bondarenko, V., Symanovych, H., Barabash, M., Husiev, O., & Salieiev, I. (2020). Determining patterns of the geomechanical factors influence on the fastening system loading in the preparatory mine workings. Mining of Mineral Deposits, 14(1), 44-50. https://doi.org/10.33271/mining14.01.044 7. Bondarenko, V.I., Symanovych, H.A., Kovalevska, I.A., Shyshov, M.V., & Yakovenko, V.H. (2023). Geomechanical substantiation of parameters for safe completion of mining the coal reserves adjacent to main workings. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 46-52. https://doi.org/10.33271/nvngu/2023-1/046 8. Krukovskyi, O., Bulich, Y., Kurnosov, S., Yanzhula, O., & Demin, V. (2022). Substantiating the parameters for selecting a pillar width to protect permanent mine workings at great depths. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 970(1) https://doi.org/10.1088/1755- 1315/970/1/012049 9. Symanovych, H., Salieiev, I., Shyshov, M., & Odnovol, M. (2022). Substantiating the optimization solutions for the mine working fastening system interaction with the enclosing rock mass. Mining of Mineral Deposits, 16(3), 54- 60. https://doi.org/10.33271/mining16.03.054 10. Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Podkopaiev, S.V., Sheka, I.V., & Tsivka, Y.S. (2022). Substantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1049. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1049/1/012026 11. Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Biletskyi, V.S., & Desna, N.A. (2022). Optimization principles implementation in the innovative technologies for re-used extraction workings maintenance. Petroleum and Coal, 64(2), 424-435. https://doi.org/10.1016/j.tust.2021.104182 12. Fomychov, V., Fomychova, L., Khorolskyi, A., Mamaikin, O., & Pochepov, V. (2020). Determining optimal border parameters to design a reused mine working. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 15(24), 3039-3049 13. Шека, І.В., Салєєв, І.А., Шишов, М.В., Малова, О.К., Почепов, В.М., & Мамайкін, О.Р. (2023). Аналіз використання композитних матеріалів для подальшого застосування у кріпленнях гірничих виробок. Збірник Наукових Праць НГУ, 72, 30-42. https://doi.org/10.33271/crpnmu/72.062 14. Бондаренко, В., Салєєв, І., Шека, І., & Цівка, Є. (2020). Обґрунтуван- ня використання композитних матеріалів для підвищення стійкості гірничих виробок. Ukrainian School of Mining Engineering 2020, 25-26. https://doi.org/10.33271/usme14.025 15. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Sheka, I., & Sachko, R. (2023). Results of research on the stability of mine workings, fixed by arched supports made of composite materials, in the conditions of the pokrovske mine administration. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1156. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1156/1/012011 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 76 16. Соцков В.О. (2015). Обґрунтування параметрів розташування та кріплення виробок, що надпрацьовуються, при веденні очисних робіт на ша- хтах Західного Донбасу: дис. канд. техн. наук: 05.15.02 / НГУ. Дніпропет- ровськ 17. Ильяшов, М.А. (2010). Обеспечение безопасности угледобычи с учетом развития очистных работ на соседних пластах. Записки Горного ин- ститута, 185, 148-151. 18. Новикова Л.В., Бузило, В.И., & Наливайко, Я.М. (2001). Прогнозиро- вание проявлений горного давления при подработке и надработке угольного пласта. Вестник ХГТУ, №12. – С.193-196. 19. Канин, В.А., Ходырев, Е.Д., & Галемский, П.В. (2012). Опережающая разработка защитных пластов для предотвращения выбросов песчаников при проведении подготовительных выработок. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, 11, 239-250 20. Фомичов, В.В., & Соцков, В.А. (2014). Исследование модели измене- ния состояния дренажного штрека в условиях надработки в шахтах Западно- го Донбасса. Вісник Національного технічного університету України" Київ- ський політехнічний інститут". Серія" Гірництво", (24), 71-77. 21. Sotskov, V., & Saleev, I. (2013). Investigation of the rock massif stress strain state in conditions of the drainage drift overworking. Paper presented at the Annual Scientific-Technical Colletion - Mining of Mineral Deposits 2013, 197-201. 22. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Symanovych, H., Sachko, R., & Sheka, I. (2023). Integrated research into the stress-strain state anomalies, formed and developed in the mass under conditions of high advance velocities of stope faces. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1254. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1226/1/012031 23. Iordanov, I., Buleha, I., Bachurina, Y., Boichenko, H., Kayun, O., Kohtieva, O., Dovgal, V. (2021). Experimental research on the haulage drifts stability in steeply dipping seams. Mining of Mineral Deposits, 15(4), 56-67. https://doi.org/10.33271/MINING15.04.056 24. Nurpeissova, М., Rysbekov, K., Kenesbayeva, А., Bekbassarov, Z., & Levin, E. (2021). Simulation of geodynamic processes. Engineering Journal of Satbayev University, 143(4), 16-24. https://doi.org/10.51301/vest.su.2021.i4.03 25. Kovalevska, I., Samusia, V., Kolosov, D., Snihur, V., & Pysmenkova, T. (2020). Stability of the overworked slightly metamorphosed massif around mine working. Mining of Mineral Deposits, 14(2), 43-52. https://doi.org/10.33271/mining14.02.043 REFERENCES 1. Karanfil, F., & Omgba, L.D. (2023). The energy transition and export di- versification in oil-dependent countries: The role of structural factors. Ecological Economics, 204 https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2022.107681 2. Kermeli, K., Crijns-Graus, W., Johannsen, R.M., & Mathiesen, B.V. (2022). Energy efficiency potentials in the EU industry: Impacts of deep decar- bonization technologies. Energy Efficiency, 15(8) https://doi.org/10.1007/s12053- 022-10071-8 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 77 3. Bondarenko, V., Salieiev, I., Kovalevska, I., Chervatiuk, V., Malash- kevych, D., Shyshov, M., & Chernyak, V. (2023). A new concept for complex mining of mineral raw material resources from DTEK coal mines based on sus- tainable development and ESG strategy. Mining of Mineral Deposits, 17(1), 1-16. https://doi.org/10.33271/mining17.01.001 4. Mamaikin, O., Kicki, J., Salli, S., & Horbatova, V. (2017). Coal industry in the context of ukraine economic security. Mining of Mineral Deposits, 11(1), 17-22. https://doi.org/10.15407/mining11.01.017 5. Snihur, V. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Husiev, O., & Shaikhlislamova, I. (2022). Optimization solution substantiation for resource- saving maintenance of workings. Mining of Mineral Deposits, 16(1), 9-18. https://doi.org/10.33271/mining16.01.009 6. Bondarenko, V., Symanovych, H., Barabash, M., Husiev, O., & Salieiev, I. (2020). Determining patterns of the geomechanical factors influence on the fas- tening system loading in the preparatory mine workings. Mining of Mineral De- posits, 14(1), 44-50. https://doi.org/10.33271/mining14.01.044 7. Bondarenko, V.I., Symanovych, H.A., Kovalevska, I.A., Shyshov, M.V., & Yakovenko, V.H. (2023). Geomechanical substantiation of parameters for safe completion of mining the coal reserves adjacent to main workings. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 46-52. https://doi.org/10.33271/nvngu/2023-1/046 8. Krukovskyi, O., Bulich, Y., Kurnosov, S., Yanzhula, O., & Demin, V. (2022). Substantiating the parameters for selecting a pillar width to protect per- manent mine workings at great depths. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 970(1) https://doi.org/10.1088/1755- 1315/970/1/012049 9. Symanovych, H., Salieiev, I., Shyshov, M., & Odnovol, M. (2022). Sub- stantiating the optimization solutions for the mine working fastening system inter- action with the enclosing rock mass. Mining of Mineral Deposits, 16(3), 54-60. https://doi.org/10.33271/mining16.03.054 10. Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Podkopaiev, S.V., Sheka, I.V., & Tsivka, Y.S. (2022). Substantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines. Paper present- ed at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1049. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1049/1/012026 11. Bondarenko, V.I., Kovalevska, I.A., Biletskyi, V.S., & Desna, N.A. (2022). Optimization principles implementation in the innovative technologies for re-used extraction workings maintenance. Petroleum and Coal, 64(2), 424-435. https://doi.org/10.1016/j.tust.2021.104182 12. Fomychov, V., Fomychova, L., Khorolskyi, A., Mamaikin, O., & Pochepov, V. (2020). Determining optimal border parameters to design a reused mine work- ing. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 15(24), 3039-3049 13. Sheka, I., Salieiev, I., Shyshov, M., Malova, O., Pochepov, V., & Mamai- kin, O. (2023). Analysis of the use of composite materials for further application in the support of mine workings. Collection of Research Papers of the National Mining University, 72, 62-76. https://doi.org/10.33271/crpnmu/72.062 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 78 14. Bondarenko, V., Salieiev, I., Sheka, I., & Tsivka, Ye. (2020). Obgruntu- vannia vykorystannia kompozytnykh materialiv dlia pidvyshchennia stiikosti hirnychykh vyrobok. Ukrainian School of Mining Engineering 2020, 25-26. https://doi.org/10.33271/usme14.025 15. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Sheka, I., & Sachko, R. (2023). Results of research on the stability of mine workings, fixed by arched supports made of composite materials, in the conditions of the pokrovske mine administration. Pa- per presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1156. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1156/1/012011 16. Sotskov V.O. (2015). Obgruntuvannia parametriv roztashuvannia ta kriplennia vyrobok, shcho nadpratsovuiutsia, pry vedenni ochysnykh robit na shakhtakh Zakhidnoho Donbasu.: dys. kand. tekhn. nauk: 05.15.02 / NHU. Dnipropetrovsk 17. Iliashov, M.A. (2010). Obespechenye bezopasnosty uhledobychy s uchetom razvytyia ochy-stnykh rabot na sosednykh plastakh. Zapysky Hornoho instytuta, 185, 148-151. 18. Novikova L.V., Buzylo, V.Y., & Nalyvaiko, Ya.M. (2001). Prohnozyro- vanye proiavlenyi hornoho davlenyia pry podrabotke i nadrabotke uholnoho plas- ta. Vestnyk KhHTU, №12. – S.193-196. 19. Kanin, V.A., Khodyrev, E.D., & Halemskyi, P.V. (2012). Ope- rezhaiushchaia razrabotka zashchytnykh plastov dlia predotvrashchenyia vybro- sov peschanykov pry provedenyy podhotovytelnykh vyrabotok. Naukovi pratsi UkrNDMI NAN Ukrainy, 11, 239-250 20. Fomychov, V.V., & Sotskov, V.A. (2014). Issledovaniye modely iz- menenyia sostoianyia drenazhnoho shtreka v uslovyiakh nadrabotky v shakhtakh Zapadnoho Donbassa. Visnyk Natsionalnoho tekh-nichnoho universytetu Ukrainy" Kyivskyi politekhnichnyi instytut". Seriia" Hirnytstvo", (24), 71-77. 21. Sotskov, V., & Saleev, I. (2013). Investigation of the rock massif stress strain state in conditions of the drainage drift overworking. Paper presented at the Annual Scientific-Technical Colletion - Mining of Mineral Deposits 2013, 197-201. 22. Bondarenko, V., Kovalevska, I., Symanovych, H., Sachko, R., & Sheka, I. (2023). Integrated research into the stress-strain state anomalies, formed and de- veloped in the mass under conditions of high advance velocities of stope faces. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1254. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1226/1/012031 23. Iordanov, I., Buleha, I., Bachurina, Y., Boichenko, H., Kayun, O., Koh- tieva, O., Dovgal, V. (2021). Experimental research on the haulage drifts stability in steeply dipping seams. Mining of Mineral Deposits, 15(4), 56-67. https://doi.org/10.33271/MINING15.04.056 24. Nurpeissova, М., Rysbekov, K., Kenesbayeva, А., Bekbassarov, Z., & Levin, E. (2021). Simulation of geodynamic processes. Engineering Journal of Satbayev University, 143(4), 16-24. https://doi.org/10.51301/vest.su.2021.i4.03 25. Kovalevska, I., Samusia, V., Kolosov, D., Snihur, V., & Pysmenkova, T. (2020). Stability of the overworked slightly metamorphosed massif around mine working. Mining of Mineral Deposits, 14(2), 43-52. https://doi.org/10.33271/mining14.02.043 Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 79 ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета. Аналіз впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням. Методика. Обчислювальний експеримент проведено на основі тривимірно- го моделювання геомеханічної системи підготовчої виробки із шаруватим породним масивом, що надпрацьовується лавою, методом скінченних еле- ментів з використанням нелінійних закономірностей зміни напружено- деформованого стану досліджуваного об'єкта у програмному продукті Ansys Mechanical. Результати. Розроблені розрахункові моделі геомеханічної системи дозво- лили визначити картину деформації композитного кріплення за різного його перерізу. найбільш висока концентрація напружень спостерігається при ви- користанні базового металевого кріплення. Область σmax поширюється на 1,2 м і 1 м відповідно, після чого починається рівномірне зниження напру- жень. Область з максимальними напруженнями утворюється в центральній частині верхняка з невеликим ухилом у ліву сторону. При цьому при збіль- шенні перерізу композитного кріплення до 39 спостерігається поступове зменшення областей σmax. Результати досліджень дозволяють отримати мак- симально повну картину напружено-деформованого стану композитного кріплення виробки. На підставі проведених експериментів можна з високим ступенем об'єктивності визначити недоліки системи композитного кріплен- ня, що буде покладено в основу для розробки раціональних параментрів крі- плення із композитних матеріалів на великих глибинах. Наукова новизна. Вперше розроблено та розраховано тривимірну модель шаруватого гірського масиву з системою композитного кріплення різних пе- рерізів. Встановлено, що при використанні композитного кріплення з пере- різом 39 області σmax мають найменші значення. Практична значимість. Отримані результати доводять, що при надпрацю- ванні краще використовувати композитне кріплення перерізом 39, що разом з полегшенням конструкції та пришвидшенням роботи зміни буде сприяти розвитку підземного вуглевидобутку. Ключові слова: гірничі виробки, композитне кріплення, максимальні напруження, моделювання, надпрацювання, напружено-деформований стан ABOUT AUTHOR Sheka Ivan, PhD student, Dnipro University of Technology, 19 Dmytra Yavornytskoho Avenue, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mail: vsheka1996@gmail.com

Результати дослідження впливу надпрацювання на гірничі виробки, що закріплені композитним кріпленням

Institution

Ähnliche Einträge