Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти
Мета. Розробка способу дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку працівників шахти. Методика. Задача про деформування в часі вуглепородного масиву з гірничою виробкою, камерою колективного порятунку і елементами їх кріплення розв’язувалась із застосуванням...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2023
|
| Schriftenreihe: | Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196474 |
| 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: | Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти / О.П. Круковський, В.В. Круковська, Ю.О. Виноградов // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 80-91. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-196474 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1964742024-01-14T13:42:03Z Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти Круковський, О.П. Круковська, В.В. Виноградов, Ю.О. Фізика гірничих процесів на великих глибинах Мета. Розробка способу дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку працівників шахти. Методика. Задача про деформування в часі вуглепородного масиву з гірничою виробкою, камерою колективного порятунку і елементами їх кріплення розв’язувалась із застосуванням методу скінченних елементів. Результати. Розроблено спосіб дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку, який полягає у створенні комп'ютерної моделі гірського масиву з гірничою виробкою, камерою колективного порятунку і їх кріпленням; чисельному розрахунку поля напружень і зон непружних деформацій в породах і кріпленні; аналізі стійкості бетонних елементів кріплення камери колективного порятунку за максимальними напруженнями і характером деформування; аналізі стійкості приконтурних порід, які теж є одним з елементів конструкції підземних споруджень, за мінімальними напруженнями. Для прикладу створено чисельну модель для дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку і гірничої виробки, закріплених анкерно-рамним кріпленням. Виконано розрахунок напруженого стану вуглепородного масиву і елементів кріплення. Показано, що в заданих гірничо-геологічних умовах використання анкерного кріплення дозволяє зберегти гірничу виробку і камеру порятунку в стійкому стані, а бетонна стінка між камерою і гірничою виробкою витримує високе навантаження і не руйнується. Наукова новизна. Вперше запропоновано виконувати аналіз стійкості елементів конструкції камери колективного порятунку працівників шахти в два етапи: аналіз стійкості бетонних елементів кріплення за максимальними напруженнями і характером деформування; аналіз стійкості приконтурних порід за мінімальними напруженнями. Практична значимість. Застосування запропонованого способу дозволить на етапі проектування дослідити та підвищити стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку, завдяки чому поліпшиться рівень безпеки працівників шахти. Ключові слова: аналіз стійкості, елементи кріплення, підземна камера колективного порятунку, спосіб дослідження, чисельне моделювання Purpose. Development of a method of studying the stability of structural elements of an underground shelter for the collective rescue of mine workers. Methods. The problem of time-dependent deformation of a coal-rock mass with a mine, a collective rescue shelter and their supporting elements was solved using the finite element method. Findings. A method of studying the stability of structural elements of an underground shelter of collective rescue has been developed. It consists in creating a computer model of a rock mass with a roadway, a collective rescue shelter and their support; numerical calculation of the stress field and zones of inelastic deformations in rocks and support; analysis of the concrete elements stability according to the maximum stresses and the nature of deformation; analysis of the stability of near-contour rocks, which are also one of the structural elements of underground structures, based on minimum stresses. For example, a numerical model was created to study the stability of structural elements of the underground shelter for collective rescue and the roadway, supported with rock bolts and frames. The calculation of the stress field in the coal-rock mass and supporting elements was performed. It is shown that under the given mining and geological conditions, the use of rock bolts allows to preserve the roadway and the rescue shelter in a stable condition; the concrete wall between the shelter and the roadway withstands a high load and does not collapse. Originality. For the first time, it was proposed to analyse the stability of the structural elements of an underground shelter for the collective rescue of mine workers in two steps: analysis of the concrete elements stability according to the maximum stresses and the nature of the deformation; analysis of the near-contour rocks stability according to minimum stresses. Practical implications. The application of the proposed method will allow at the design stage to investigate and increase the stability of structural elements of underground collective rescue shelters, thanks to which the level of safety of mine workers will improve. Keywords: stability analysis, supporting elements, underground shelter, research method, numerical simulation 2023 Article Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти / О.П. Круковський, В.В. Круковська, Ю.О. Виноградов // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 80-91. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 2664-1771 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.007 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196474 622.267.5 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 |
Фізика гірничих процесів на великих глибинах Фізика гірничих процесів на великих глибинах |
| spellingShingle |
Фізика гірничих процесів на великих глибинах Фізика гірничих процесів на великих глибинах Круковський, О.П. Круковська, В.В. Виноградов, Ю.О. Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| description |
Мета. Розробка способу дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку працівників шахти.
Методика. Задача про деформування в часі вуглепородного масиву з гірничою виробкою, камерою колективного порятунку і елементами їх кріплення розв’язувалась із застосуванням методу скінченних елементів.
Результати. Розроблено спосіб дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку, який полягає у створенні комп'ютерної моделі гірського масиву з гірничою виробкою, камерою колективного порятунку і їх кріпленням; чисельному розрахунку поля напружень і зон непружних деформацій в породах і кріпленні; аналізі стійкості бетонних елементів кріплення камери колективного порятунку за максимальними напруженнями і характером деформування; аналізі стійкості приконтурних порід, які теж є одним з елементів конструкції підземних споруджень, за мінімальними напруженнями.
Для прикладу створено чисельну модель для дослідження стійкості елементів конструкції підземної камери колективного порятунку і гірничої виробки, закріплених анкерно-рамним кріпленням. Виконано розрахунок напруженого стану вуглепородного масиву і елементів кріплення. Показано, що в заданих гірничо-геологічних умовах використання анкерного кріплення дозволяє зберегти гірничу виробку і камеру порятунку в стійкому стані, а бетонна стінка між камерою і гірничою виробкою витримує високе навантаження і не руйнується.
Наукова новизна. Вперше запропоновано виконувати аналіз стійкості елементів конструкції камери колективного порятунку працівників шахти в два етапи: аналіз стійкості бетонних елементів кріплення за максимальними напруженнями і характером деформування; аналіз стійкості приконтурних порід за мінімальними напруженнями.
Практична значимість. Застосування запропонованого способу дозволить на етапі проектування дослідити та підвищити стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку, завдяки чому поліпшиться рівень безпеки працівників шахти.
Ключові слова: аналіз стійкості, елементи кріплення, підземна камера колективного порятунку, спосіб дослідження, чисельне моделювання |
| format |
Article |
| author |
Круковський, О.П. Круковська, В.В. Виноградов, Ю.О. |
| author_facet |
Круковський, О.П. Круковська, В.В. Виноградов, Ю.О. |
| author_sort |
Круковський, О.П. |
| title |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| title_short |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| title_full |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| title_fullStr |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| title_full_unstemmed |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| title_sort |
стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
2023 |
| topic_facet |
Фізика гірничих процесів на великих глибинах |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/196474 |
| citation_txt |
Стійкість елементів конструкції підземних камер колективного порятунку працівників шахти / О.П. Круковський, В.В. Круковська, Ю.О. Виноградов // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 80-91. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
| series |
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва |
| work_keys_str_mv |
AT krukovsʹkijop stíjkístʹelementívkonstrukcíípídzemnihkamerkolektivnogoporâtunkupracívnikívšahti AT krukovsʹkavv stíjkístʹelementívkonstrukcíípídzemnihkamerkolektivnogoporâtunkupracívnikívšahti AT vinogradovûo stíjkístʹelementívkonstrukcíípídzemnihkamerkolektivnogoporâtunkupracívnikívšahti |
| first_indexed |
2025-07-17T01:04:48Z |
| last_indexed |
2025-07-17T01:04:48Z |
| _version_ |
1837854158652178432 |
| fulltext |
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
80
Розділ 3. Фізика гірничих процесів на великих глибинах
УДК 622.267.5 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.007
СТІЙКІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ КОНСТРУКЦІЇ ПІДЗЕМНИХ КАМЕР
КОЛЕКТИВНОГО ПОРЯТУНКУ ПРАЦІВНИКІВ ШАХТИ
О.П. Круковський1, В.В. Круковська1, Ю.О. Виноградов2*
1Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії
наук України, м. Дніпро, Україна
2Відділення фізики гірничих процесів Інституту геотехнічної механіки
ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпро, Україна
*Відповідальний автор: e-mаil: my_pochta_1r@ukr.net
STABILITY OF STRUCTURAL ELEMENTS OF UNDERGROUND
SHELTERS FOR THE COLLECTIVE RESCUE OF MINE WORKERS
O.P. Krukovskyi1, V.V. Krukovska1, Y.O. Vynohradov2*
1Institute of Geotechnical Mechanics named of the M.S. Polyakov of the National
Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine
2Branch for Physics of Mining Processes of the M.S. Poliakov Institute of
Geotechnical Mechanics the National Academy Sciences of Ukraine, Dnipro,
Ukraine
*Corresponding author: e-mаil: my_pochta_1r@ukr.net
ABSTRACT
Purpose. Development of a method of studying the stability of structural elements
of an underground shelter for the collective rescue of mine workers.
Methods. The problem of time-dependent deformation of a coal-rock mass with a
mine, a collective rescue shelter and their supporting elements was solved using
the finite element method.
Findings. A method of studying the stability of structural elements of an under-
ground shelter of collective rescue has been developed. It consists in creating a
computer model of a rock mass with a roadway, a collective rescue shelter and
their support; numerical calculation of the stress field and zones of inelastic de-
formations in rocks and support; analysis of the concrete elements stability ac-
cording to the maximum stresses and the nature of deformation; analysis of the
stability of near-contour rocks, which are also one of the structural elements of
underground structures, based on minimum stresses.
For example, a numerical model was created to study the stability of structural
elements of the underground shelter for collective rescue and the roadway, sup-
ported with rock bolts and frames. The calculation of the stress field in the coal-
rock mass and supporting elements was performed. It is shown that under the giv-
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
81
en mining and geological conditions, the use of rock bolts allows to preserve the
roadway and the rescue shelter in a stable condition; the concrete wall between
the shelter and the roadway withstands a high load and does not collapse.
Originality. For the first time, it was proposed to analyse the stability of the struc-
tural elements of an underground shelter for the collective rescue of mine workers
in two steps: analysis of the concrete elements stability according to the maximum
stresses and the nature of the deformation; analysis of the near-contour rocks sta-
bility according to minimum stresses.
Practical implications. The application of the proposed method will allow at the
design stage to investigate and increase the stability of structural elements of un-
derground collective rescue shelters, thanks to which the level of safety of mine
workers will improve.
Keywords: stability analysis, supporting elements, underground shelter, research
method, numerical simulation
1. ВСТУП
Камери колективного порятунку у вугільних шахтах необхідні для захис-
ту гірників під час аварій, пов’язаних з загазованістю гірничих виробок, по-
жежами і вибухами метано-повітряної суміші. Вони також необхідні для ро-
боти рятувальників, які проводять розвідку та повинні виводити з аварійної
ділянки постраждалих [1-3]. Такі камери мають засоби для захисту органів
дихання, першої медичної допомоги, запаси питної води та їжі, засоби га-
сіння пожежі [4-6].
Найбільш доцільним є розташування камер порятунку в ніші в боці виро-
бки, з бетонною стінкою, яка відокремлює камеру від виробки, і герметич-
ними дверцями [5]. Таке розташування дозволяє безперешкодно транспор-
тувати вантажі у виробці та уникнути руйнуючої дії вибухової хвилі у разі
вибуху метано-повітряної суміші. Герметичне з'єднання стінки камери коле-
ктивного порятунку з породами боків та покрівлі виробки і герметичні двер-
цята забезпечують її ізоляцію від атмосфери виробки, яка у разі аварії може
бути отруйною.
Але гірничі виробки проводяться на різних глибинах, в різних гірничо-
геологічних умовах [7, 8]. На глибинах, де гірський тиск сягає великих зна-
чень, бетонна стінка, що відокремлює камеру колективного порятунку від
виробки, може не витримати навантажень і зруйнуватися, породи покрівлі
можуть обвалитися всередину камери. Стійкість і герметичність камери ко-
лективного порятунку також можуть бути порушені, якщо вона споруджена
в слабких породах, які мають низьку межу міцності. Тому велике значення
має дослідження стійкості елементів конструкції камери колективного поря-
тунку, до складу яких входять бетонна стінка, кріплення камери, а також по-
роди її боків і покрівлі, в конкретних гірничо-геологічних умовах з метою
вибору надійного кріплення і посилення слабких елементів конструкції ка-
мери колективного порятунку.
Тому метою роботи є розробка способу дослідження стійкості елементів
конструкції підземної камери колективного порятунку працівників шахти.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
82
2. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Для виконання дослідження необхідно розглянути виробку з прилеглою
камерою колективного порятунку, їх кріплення, бетонну перегородку та ін-
ші елементи конструкції камери колективного порятунку і виконати розра-
хунок їх напруженого стану і зон непружних деформації, в яких і відбува-
ється руйнування та втрата стійкості.
Чисельне моделювання вуглепородного масиву з гірничими виробками
дозволяє адекватно відтворювати процес деформування цих підземних конс-
трукцій на заданій глибині, під дією заданих навантажень, тому для досяг-
нення мети будемо застосовувати чисельні методи. Метод скінченних еле-
ментів [9-10] є одним з найбільш поширених чисельних методів. Він дозво-
ляє враховувати форму поперечного перерізу гірничих виробок, складні
граничні умови і різноманітні властивості гірських порід. Суть даного мето-
ду полягає в мінімізації повної потенційної енергії, вираженої через кінцеве
число вузлових параметрів, що призводить до заміни системи диференціа-
льних рівнянь системою звичайних алгебраїчних рівнянь [11]. При викорис-
танні чисельних методів суцільне середовище апроксимується дискретним.
Причому при посиленні дискретизації – збільшенні кількості скінченних
елементів, що становлять досліджувану область, і зменшенні їх розмірів –
поведінка дискретної моделі наближається до поведінки «безперервної сис-
теми» – суцільного середовища [12].
Чисельний розрахунок моделі проводимо в стаціонарній постановці, якщо
для дослідження потрібен розподіл напружень після стабілізації стану виро-
бки [13]:
, 0ij j iX ;
або в нестаціонарній постановці, якщо треба дослідити динаміку зміни
напруженого стану порід і кріплення у часі [8, 14, 15]:
,
i
g ij j i
u
c X
t
,
де ij,j – похідні від компонент тензору головних напружень по горизонталь-
ній осі x та вертикальній осі y; Xi(t) – проекції зовнішніх сил, що діють на
одиницю об’єму твердого тіла; сg – коефіцієнт демпфування; ui – перемі-
щення; t – час.
За критерієм міцності Кулона-Мора [16] визначимо зони непружних де-
формацій, що свідчать про початок процесу тріщиноутворення та руйнуван-
ня гірських порід або елементів кріплення. Навантаження здійснюємо шля-
хом задання начальних напружень, що дорівнюють величіні гірського тиску
H ( – усереднена вага гірських порід, які розташовані вище; – глибина
ведення гірничих робіт) в скінченних елементах, які моделюють гірський
масив.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
83
3. РОЗРОБКА СПОСОБУ
Розроблений спосіб дослідження стійкості елементів конструкції підзем-
ної камери колективного порятунку полягає у послідовному виконанні на-
ступних операцій.
1. За допомогою стандартного пресу шляхом випробувань зразків порід
(матеріалів) визначають фізико-механічні властивості кожного породного
шару, що складає досліджувану область гірського масиву, та елементів кріп-
лення.
2. За допомогою програмних комплексів розробки скінченно-елементних
сіток, наприклад Femap або Ansis, створюють комп'ютерну модель гірського
масиву з порожнинами, що моделюють простір гірничої виробки і камери
колективного порятунку відповідно.
3. До основної сітки додаються стрижневі скінченні елементи, що моде-
люють анкери [17, 18], і трикутні скінченні елементи, що моделюють кріп-
лення: металеві рами, бетонну стінку, забутовування.
4. Кожному скінченному елементу надаються відповідні властивості, які
визначено за допомогою випробувань на пресі.
5. Виконується оптимізація сітки скінченних елементів для моделі пород-
ного масиву, який складається з шарів різних порід, з гірничою виробкою,
камерою колективного порятунку і кріпленням.
6. Отриману тривимірну скінченно-елементну модель експортують в про-
грамне середовище, що реалізує метод скінченних елементів.
7. Задають умови закріплення моделі, які блокують вертикальні перемі-
щення вузлів сітки на горизонтальних границях моделі та горизонтальні пе-
реміщення вузлів на вертикальних границях.
8. Навантаження здійснюють шляхом задання начальних напружень, що
дорівнюють величіні гірського тиску H в скінченних елементах, які моде-
люють гірський масив.
9. Проводять чисельний розрахунок моделі і визначають розподіл напру-
жень.
10. За критерієм міцності визначають зони непружних деформацій, що
свідчить про початок процесу тріщиноутворення та руйнування гірських по-
рід або елементів кріплення.
11. Виконують візуалізацію:
- розподілу значень зведеної максимальної компоненти тензора головних
напружень H, що характеризує величину максимальних стискаючих на-
пружень;
- розподілу значень зведеної мінімальної компоненти тензора головних
напружень H, що характеризує розвантаження порід від гірського тиску;
- зон непружних деформацій, де межу міцності порід і матеріалів пере-
вищено.
12. Виконують аналіз стійкості бетонних елементів кріплення камери ко-
лективного порятунку.
Якщо максимальні напруження в бетонних елементах кріплення камери
H приймають завеликі значення H > 1,6 і в зонах, де H > 1,6, спо-
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
84
стерігається непружне деформування цих елементів кріплення, необхідно їх
посилити, вибравши міцніші матеріали, або збільшити їх товщину.
13. Виконують аналіз стійкості приконтурних порід, які теж є одним з
елементів конструкції підземних споруджень.
Якщо мінімальні напруження в приконтурних породах покрівлі і боків
виробки і камери порятунку H < 0,4 і наближаються до нуля, можлива
втрата їх стійкості. У цьому випадку необхідно вибрати потужнішу схему їх
кріплення.
14. При зміні схеми або параметрів кріплення розрахунок повторюють
згідно з пунктами 3-13.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ТЕСТОВОГО ДОСЛІДЖЕННЯ
Для прикладу виконаємо дослідження стійкості елементів конструкції пі-
дземної камери колективного порятунку, прилеглої до гірничої виробки ар-
кової форми поперечного перерізу, що проводиться по вугільному пласту на
глибині 800 м. Вміщуюча порода – аргіліт з низькою межею міцності. І ви-
робку і камеру закріплено анкерно-рамним кріпленням [19], затяжка боків і
покрівлі – залізобетонна, камеру колективного порятунку відокремлює від
виробки бетонна перегородка товщиною 200 мм. Підошва камери розташо-
вана вище підошви виробки на 700 мм.
На рис. 1 зображено двовимірну скінченно-елементну модель гірського
масиву з гірничою виробкою 1 і камерою колективного порятунку 2 у попе-
речному перерізі. Породні шари (вугілля 4 і аргіліт 5) моделюється за допо-
могою трикутних скінченних елементів 3 і відрізняються своїми фізико-
механічними властивостями (модуль пружності Е, коефіцієнт Пуассона ,
зчеплення С, кут внутрішнього тертя , міцність на стиск c,
міцність на роз-
тяг p). Металеві рами 7, бетонна стінка 8, забутовування 9 також моделю-
ється трикутними скінченними елементами, анкери 6 – стрижневими.
Рисунок 1. Приклад скінченно-елементної моделі гірського масиву з гірничою
виробкою, камерою порятунку і елементами їх кріплення
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
85
За наведеним алгоритмом було розраховано поле напружень і зони непру-
жних деформацій для скінченно-елементної моделі, яку показано на рис. 1.
Аналіз стійкості бетонних елементів кріплення камери колективного
порятунку. На рис. 2 наведено розподіл значень максимальної компоненти
тензору головних напружень . Бачимо, що максимальні напруження
набувають найвищих значень в покрівлі виробки, у правому її боці та
зліва від підземної камери колективного порятунку. Щодо основного несно-
го елементу перегородки між камерою і гірничою виробкою – бетонної стін-
ки, то в ньому теж присутня велика зона, де H > 1,6. Вона розташована в
нижній частині стінки, на рівні підошви камери колективного порятунку. Її
наявність свідчить, що саме ця ділянка бетонної стінки зазнає значних стис-
каючих напружень. Щоб дізнатися, руйнується вона чи ні, треба проаналізу-
вати зони непружних деформацій, що визначають ймовірні області руйну-
вання (рис. 3).
Рисунок 2. Результат розрахунку максимальної компоненти тензору голов-
них напружень в момент часу t = 20 діб
На збільшених фрагментах (рис. 4) добре видно, що деформування бе-
тонної стінки в зоні, де H > 1,6, відбувається в пружному режимі, межу
міцності бетону не перевищено. Тобто основний елемент перегородки між
камерою і гірничою виробкою – міцна бетонна стінка – витримує високе на-
вантаження і не руйнується.
Якщо б максимальні напруження H в бетонних елементах кріплення
камери приймали завеликі значення H > 1,6 і в зонах, де H > 1,6, спос-
терігалося б непружне деформування цих елементів кріплення, необхідно бу-
ло б їх посилювати, вибравши міцніші матеріали, або збільшити їх товщину.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
86
Рисунок 3. Зони непружних деформацій в момент часу t = 20 діб
Аналіз стійкості приконтурних порід. На рис. 5 наведено розподіл зна-
чень мінімальної компоненти тензору головних напружень . В непо-
рушеному породному масиві, на віддаленні від виробок, значення до-
рівнює одиниці.
а) б)
Рисунок 4. Збільшені фрагменти розрахункової області: а) H;
б) зони непружних деформацій
Бачимо, що в переважній частині порід поблизу виробки і камери поряту-
нку < 1, що говорить про розвантаження приконтурних порід від гір-
ського тиску. А в підошві виробки і камери присутні великі області, де
< 0,4. В даних умовах при замалих значеннях мінімальної компоненти
тензора напружень в підошві відбувається руйнування аргіліту, що підтвер-
джується наявністю зон непружних деформацій, рис. 3.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
87
Рисунок 5. Результат розрахунку мінімальної компоненти тензору головних
напружень в момент часу t = 20 діб
Але в покрівлі і боках виробки і камери значення наближуються до
одиниці, як в непорушеному масиві, – в заанкерованих зонах породи збере-
жено в природному, монолітному стані. Тобто, вибране анкерно-рамне кріп-
лення забезпечує стійкий стан виробки і камери порятунку в заданих гірни-
чо-геологічних умовах, що є передумовою безпеки ведення гірничих робіт.
Якщо б мінімальні напруження в приконтурних породах покрівлі і боків
виробки і камери порятунку H були нижчими за 0,4 і наближалися до
нуля, була б можлива втрата стійкості виробки. У цьому випадку необхідно
було б вибрати потужнішу схему їх кріплення.
5. ВИСНОВКИ
Розглянуто проблему порятунку працівників вугільних шахтах під час
аварій, пов’язаних з загазованістю гірничих виробок, пожежами і вибухами
метано-повітряної суміші, за допомогою камер колективного порятунку.
Стійкість і герметичність таких камер має першочергове значення в умовах
наявності шкідливих газів в атмосфері шахтних виробок і при веденні гірни-
чих робіт в газоносному вуглепородному масиві.
Розроблено спосіб дослідження стійкості елементів конструкції підземної
камери колективного порятунку, який полягає у створенні комп'ютерної мо-
делі гірського масиву з гірничою виробкою, камерою колективного поряту-
нку і їх кріпленням; чисельному розрахунку поля напружень і зон непруж-
них деформацій в породах і кріпленні; аналізі стійкості бетонних елементів
кріплення камери колективного порятунку за максимальними напруження-
ми і характером деформування; аналізі стійкості приконтурних порід, які
теж є одним з елементів конструкції підземних споруджень, за мінімальни-
ми напруженнями. Чисельне моделювання вуглепородного масиву з вироб-
кою, камерою колективного порятунку і усіма елементами їх кріплення до-
зволяє адекватно відтворювати процес деформування цих підземних конс-
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
88
трукцій на заданій глибині, під дією заданих навантажень, в певних гірничо-
геологічних умовах. Перевагами запропонованого способу є створення мо-
делі, яка ураховує наявність камери колективного порятунку з різними ви-
дами кріплення поряд з гірничою виробкою, чисельний розрахунок поля на-
пружень і аналіз стійкості елементів конструкції камери за максимальними і
мінімальними компонентами тензору головних напружень і зонами непруж-
них деформацій.
Для прикладу створено чисельну модель для дослідження стійкості еле-
ментів конструкції підземної камери колективного порятунку і гірничої ви-
робки, розташованих на глибині 800 м і закріплених анкерно-рамним кріп-
ленням. Виконано розрахунок напруженого стану вуглепородного масиву і
елементів кріплення. Показано, що в заданих гірничо-геологічних умовах
використання анкерного кріплення дозволяє зберегти гірничу виробку і ка-
меру порятунку в стійкому стані. Основний елемент перегородки між каме-
рою і гірничою виробкою – міцна бетонна стінка – витримує високе наван-
таження і не руйнується.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Минеев, С.П., Беликов, И.Б., Могильченко, А.Н., Чекмезов, В.Н. & Сергеев
Ю.Н. (2019). Обоснование параметров камеры спасения подземных работников на
шахте «Добропольская». Геотехнічна механіка, (149), 150-159.
https://doi.org/10.15407/geotm2019.149.150.
2. Krukovskyi, O.P. & Krukovska, V.V. (2023). Supporting a mine working with a
shelter in various mining and geological conditions. Inżynieria Mineralna. Journal of the
Polish Mineral Engineering Society, (1), 45-52. http://doi.org/10.29227/IM-2023-01-05.
3. Минеев, С.П. & Беликов, И.Б. (2019). Методология оценки параметров зало-
жения камеры спасения в угольных шахтах, Геотехнічна механіка, (144), 126-136.
https://doi.org/10.15407/geotm2019. 144.126.
4. Пункт колективного рятування працівників шахти. (2019). Патент на корисну
модель № 134178. 10.05.2019. Бюл. № 9.
5. Комплекс колективного порятунку працівників шахти. (2019). Патент на ко-
рисну модель № 138076. 25.11.2019. Бюл. № 22.
6. СОУ 10.1.202020852.002:2006 Стаціонарні камери-сховища рятувальні шах-
тні. Загальні технічні вимоги. (2007). Київ: Мінвуглепром України, 16 с.
7. Krukovskyi, O.P. & Krukovska, V.V. (2023). Stability of underground shelters for
collective rescue of coal mine workers. Recent advances in global science. Proceedings
of the III International Scientific and Practical Conference, Vilnius, Lithuania, (170),
150-153.
8. Krukovska, V.V., Krukovskyi, O.P., Kocherga, V.M. & Kostrytsia, A.O. (2022).
Solving coupled problems of geomechanics and gas filtration for mining safety ensuring.
Geо-Technical Mechanics, (160), 106-122. https://doi.org/10.15407/geotm2022.160.106.
9. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R. L., & Zhu, J. Z. (2013). The Finite Element Method:
Its Basis and Fundamentals. Butterworth-Heinemann, 756 р.
10. de Borst, R., Crisfield, M.A., Remmers, J.J.C. & Verhoosel, C.V. (2012). Non-
linear finite element analysis of solids and structures. John Wiley & Sons, 544 р.
11. Hestenes, M.R. & Stiefel, E. (1952). Methods of Conjugate Gradients for Solving
Linear Systems. J. Res. Natl. Bur. Stand., (49), 409-436.
12. Ibrahim, R., Mirhosseini, F. & Zsaki, A.M. (2022). An automated a priori
knowledge-based p-adaptive three-dimensional finite element mesh improvement method
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
89
for stress analysis of underground excavations with prismatic cross-sections. Geomechan-
ics and Geoengineering, (17), 141-154.
13. Krukovskyi, O., Krukovska, V., Vynohradov, Y. & Dyomin, V. (2021). Applica-
tion of roof bolting to reduce water inflow into mine workings during the crossing of tec-
tonic disturbances. E3S Web of Con-ferences, (280), 01006.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128001006.
14. Krukovskyi, O.P., Krukovska, V.V., Bulich, Yu.Yu. & Zemlianaia, Yu.V. (2020).
Some aspects of development and application of the bearing-bolt supporting technology.
Resource-saving technologies of raw-material base development in mineral mining and
processing. Multi-authored monograph. Petroșani, Romania: Universitas Publishing, 123-
142. https://doi.org/10.31713/m901.
15. Krukovskyi, O.P., Krukovska, V.V. & Vynohradov, Yu.O. (2022). Development
of roof bolting technology for application in gas- and water-bearing rocks. Prospects for
developing resource-saving technologies in mineral mining and processing. Multi-
authored monograph. Petroșani, Romania: Universitas Publishing, 43-76.
https://doi.org/10.31713/m1103.
16. Labuz, J.F. & Zang, A. (2012). Mohr-Coulomb Failure Criterion. Rock Mechanics
and Rock Engineering, (45), 975-979. https://doi.org/10.1007/s00603-012-0281-7.
17. Krukovskiy, О.P., Khvorostian, V.A. & Krukovskaia, V.V. (2013). Technology of
supporting bolting of mine workings. Coal of Ukraine, (2), 13-16.
18. Krukovska, V.V. & Krukovskyi, O.P. (2019). Numerical simulation of coupled
processes at injection of strengthening compositions in cracked rock with injection an-
chors. Geotechnical Mechanics, (149), 100-110.
https://doi.org/10.15407/geotm2019.149.100.
19. Булат, А.Ф. & Виноградов, В.В. (2002). Опорно-анкерное крепление горных
выработок угольных шахт. Днепропетровск: Вильпо, 372 с.
REFERENCES
1. Mineev, S.P., Belikov, I.B., Mogilchenko, A.N., Chekmezov, V.M. & Sergeev,
Y.N. (2019). Ground of parameters of rescue chamber for underground workers in the
Dobropolskaya mine. Geo-Technical Mechanics, (149), 150-159.
https://doi.org/10.15407/geotm2019.149.150.
2. Krukovskyi, O.P. & Krukovska, V.V. (2023). Supporting a mine working with a
shelter in various mining and geological conditions. Inżynieria Mineralna. Journal of the
Polish Mineral Engineering Society, (1), 45-52. http://doi.org/10.29227/IM-2023-01-05.
3. Minieiev, S.P. & Belikov, I.B. (2019). Methodology for estimating the parameters
of the deposition of the rescue camera in coal mine, Geo-Technical Mechanics, (144),
126-136. https://doi.org/10.15407/geotm2019. 144.126.
4. Point of collective rescue of mine workers. (2019). Utility model patent no. 134178.
10.05.2019. Bull. no. № 9.
5. Complex of collective rescue of mine workers. (2019). Utility model patent
no. 138076. 25.11.2019. Bull. no. № 22.
6. JUU 10.1.202020852.002:2006 Stationary rescue mines shelters. General technical
requirements. (2007). Kyiv: Ministry of Coal Industry of Ukraine, 16 p.
7. Krukovskyi, O.P. & Krukovska, V.V. (2023). Stability of underground shelters for
collective rescue of coal mine workers. Recent advances in global science. Proceedings
of the III International Scientific and Practical Conference, Vilnius, Lithuania, (170),
150-153.
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
90
8. Krukovska, V.V., Krukovskyi, O.P., Kocherga, V.M. & Kostrytsia, A.O. (2022).
Solving coupled problems of geomechanics and gas filtration for mining safety ensuring.
Geо-Technical Mechanics, (160), 106-122. https://doi.org/10.15407/geotm2022.160.106.
9. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R. L., & Zhu, J. Z. (2013). The Finite Element Method:
Its Basis and Fundamentals. Butterworth-Heinemann, 756 р.
10. de Borst, R., Crisfield, M.A., Remmers, J.J.C. & Verhoosel, C.V. (2012). Non-
linear finite element analysis of solids and structures. John Wiley & Sons, 544 р.
11. Hestenes, M.R. & Stiefel, E. (1952). Methods of Conjugate Gradients for Solving
Linear Systems. J. Res. Natl. Bur. Stand., (49), 409-436.
12. Ibrahim, R., Mirhosseini, F. & Zsaki, A.M. (2022). An automated a priori
knowledge-based p-adaptive three-dimensional finite element mesh improvement method
for stress analysis of underground excavations with prismatic cross-sections. Geomechan-
ics and Geoengineering, (17), 141-154.
13. Krukovskyi, O., Krukovska, V., Vynohradov, Y. & Dyomin, V. (2021). Applica-
tion of roof bolting to reduce water inflow into mine workings during the crossing of tec-
tonic disturbances. E3S Web of Con-ferences, (280), 01006.
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128001006.
14. Krukovskyi, O.P., Krukovska, V.V., Bulich, Yu.Yu. & Zemlianaia, Yu.V. (2020).
Some aspects of development and application of the bearing-bolt supporting technology.
Resource-saving technologies of raw-material base development in mineral mining and
processing. Multi-authored monograph. Petroșani, Romania: Universitas Publishing, 123-
142. https://doi.org/10.31713/m901.
15. Krukovskyi, O.P., Krukovska, V.V. & Vynohradov, Yu.O. (2022). Development
of roof bolting technology for application in gas- and water-bearing rocks. Prospects for
developing resource-saving technologies in mineral mining and processing. Multi-
authored monograph. Petroșani, Romania: Universitas Publishing, 43-76.
https://doi.org/10.31713/m1103.
16. Labuz, J.F. & Zang, A. (2012). Mohr-Coulomb Failure Criterion. Rock Mechanics
and Rock Engineering, (45), 975-979. https://doi.org/10.1007/s00603-012-0281-7.
17. Krukovskiy, О.P., Khvorostian, V.A. & Krukovskaia, V.V. (2013). Technology of
supporting bolting of mine workings. Coal of Ukraine, (2), 13-16.
18. Krukovska, V.V. & Krukovskyi, O.P. (2019). Numerical simulation of coupled
processes at injection of strengthening compositions in cracked rock with injection an-
chors. Geotechnical Mechanics, (149), 100-110.
https://doi.org/10.15407/geotm2019.149.100.
19. Bulat, A.F. & Vynogradov, V.V. (2002). Bearing-bolt supporting of mine work-
ings in coal mines. Dnipropetrovsk: Vilpo, 372 p.
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Розробка способу дослідження стійкості елементів конструкції підзе-
мної камери колективного порятунку працівників шахти.
Методика. Задача про деформування в часі вуглепородного масиву з гірни-
чою виробкою, камерою колективного порятунку і елементами їх кріплення
розв’язувалась із застосуванням методу скінченних елементів.
Результати. Розроблено спосіб дослідження стійкості елементів конструкції
підземної камери колективного порятунку, який полягає у створенні комп'-
ютерної моделі гірського масиву з гірничою виробкою, камерою колектив-
ного порятунку і їх кріпленням; чисельному розрахунку поля напружень і
зон непружних деформацій в породах і кріпленні; аналізі стійкості бетонних
Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25
91
елементів кріплення камери колективного порятунку за максимальними на-
пруженнями і характером деформування; аналізі стійкості приконтурних
порід, які теж є одним з елементів конструкції підземних споруджень, за мі-
німальними напруженнями.
Для прикладу створено чисельну модель для дослідження стійкості елемен-
тів конструкції підземної камери колективного порятунку і гірничої вироб-
ки, закріплених анкерно-рамним кріпленням. Виконано розрахунок напру-
женого стану вуглепородного масиву і елементів кріплення. Показано, що в
заданих гірничо-геологічних умовах використання анкерного кріплення до-
зволяє зберегти гірничу виробку і камеру порятунку в стійкому стані, а бе-
тонна стінка між камерою і гірничою виробкою витримує високе наванта-
ження і не руйнується.
Наукова новизна. Вперше запропоновано виконувати аналіз стійкості еле-
ментів конструкції камери колективного порятунку працівників шахти в два
етапи: аналіз стійкості бетонних елементів кріплення за максимальними на-
пруженнями і характером деформування; аналіз стійкості приконтурних по-
рід за мінімальними напруженнями.
Практична значимість. Застосування запропонованого способу дозволить
на етапі проектування дослідити та підвищити стійкість елементів констру-
кції підземних камер колективного порятунку, завдяки чому поліпшиться
рівень безпеки працівників шахти.
Ключові слова: аналіз стійкості, елементи кріплення, підземна камера ко-
лективного порятунку, спосіб дослідження, чисельне моделювання
ABOUT AUTHORS
Krukovskyi Olexandr, Corresponding Member of NAS of Ukraine, Doctor of Tech-
nical Sciences (D. Sc), Deputy Director of the institute, M.S. Polyakov Institute of
Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine, 2A
Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mаil: igtm@ukr.net
Krukovska Viktoriia, Doctor of Technical Sciences (D. Sc), Senior Researcher, Senior
Researcher in Department of Pressure Dynamics Control in Rocks, M.S. Poliakov Insti-
tute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine , 2A
Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mаil: vikakrukk@gmail.com
Vynohradov Yurii, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Junior Researcher in De-
partment of Control of Rocks State, Branch for Physics of Mining Processes of the
M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences
of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mаil:
my_pochta_1r@ukr.net
|