Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него
Формується фізична сутність способу вібраційного впливу на вугільний пласт через вміщуючі породи, а також наводиться рішення аналітичної задачі визначення додаткових нормальних і дотичних напружень на контакті вугільний пласт - вміщуючі породи при одиночному і подвійному імпульсах дії....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53651 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него / Д.М. Житленок, А.С. Крышнев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 145-151. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53651 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-536512014-01-26T03:11:40Z Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него Житленок, Д.М. Крышнев, А.С. Формується фізична сутність способу вібраційного впливу на вугільний пласт через вміщуючі породи, а також наводиться рішення аналітичної задачі визначення додаткових нормальних і дотичних напружень на контакті вугільний пласт - вміщуючі породи при одиночному і подвійному імпульсах дії. Generated physical essence of vibration influence on the method coal bed through host rocks, and perform solution to analytical the objectives of determining additional normal and shear stresses at the contact between coal bed - host rocks at single and double-pulse influenсe. 2012 Article Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него / Д.М. Житленок, А.С. Крышнев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 145-151. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53651 622.831.322 ru Геотехническая механика 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 |
Формується фізична сутність способу вібраційного впливу на вугільний пласт через вміщуючі породи, а також наводиться рішення аналітичної задачі визначення додаткових нормальних і дотичних напружень на контакті вугільний пласт - вміщуючі породи при одиночному і подвійному імпульсах дії. |
| format |
Article |
| author |
Житленок, Д.М. Крышнев, А.С. |
| spellingShingle |
Житленок, Д.М. Крышнев, А.С. Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него Геотехническая механика |
| author_facet |
Житленок, Д.М. Крышнев, А.С. |
| author_sort |
Житленок, Д.М. |
| title |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| title_short |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| title_full |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| title_fullStr |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| title_full_unstemmed |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| title_sort |
физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53651 |
| citation_txt |
Физическая сущность и математическая модель управления состоянием предельно-напряженного горного массива вибрационным воздействием на него / Д.М. Житленок, А.С. Крышнев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 145-151. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT žitlenokdm fizičeskaâsuŝnostʹimatematičeskaâmodelʹupravleniâsostoâniempredelʹnonaprâžennogogornogomassivavibracionnymvozdejstviemnanego AT kryšnevas fizičeskaâsuŝnostʹimatematičeskaâmodelʹupravleniâsostoâniempredelʹnonaprâžennogogornogomassivavibracionnymvozdejstviemnanego |
| first_indexed |
2025-07-05T05:01:30Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:01:30Z |
| _version_ |
1836781866997252096 |
| fulltext |
145
8. Ларіонов Г.І.. До аналізу результатів математичного та імітаційного моделювання роботи бункера-
перевантажувача/ Ларіонов Г.І., Брагінець Д.Д., Р.В. Кірія/ Сист. технодлгії. Дніпропетровськ: НМетАУ, 2011.–
с.122-128.
9.. Сапегин, В.Н. К анализу решения задачи о нестационарном деформировании упругой среды/ Сапегин,
В.Н., Ларионов Г.И. / Наукові вісті. Сучасні проблеми металургії. № 14: Дніпропетровськ: НМетАУ, 2011.–
с.39-49.
10. Ismet Canbulat. Evaluation and design of optimum support systems in South African collieries using the prob-
abilistic design approach / Ismet Canbulat // Dissertation submitted to the Fuculty of Engineering Built Environment
and Technology for the degree Philosophy Doctor/ University of Pretiria. – Pretoria, 2008. – 340 p.
11. Mark C. Design of roof bolt systems / C. Mark // New technology for coal mine roof support. Pittsburgh,PA.
U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service. Centres for Disease Control and Prevention.
National Institute for Occupational Safety and Health, 2000, DHHS,(NIOSH) Publication №2000-151, IC 9453, 2000–
P.280. .
12. Ивахненко А.Г. Моделирование сложных систем по экспериментадьным данням / А.Г. Ивахненко,
Ю.П. Юрачковский. – М.: Радио и связь,1987. – 118 с.
УДК 622.831.322
Д-р техн. наук Д.М. Житленок,
инж. А.С. Крышнев,
(ГП «Дзержинскуголь»)
ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ПРЕДЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННОГО
ГОРНОГО МАССИВА ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА НЕГО
Формується фізична сутність способу вібраційного впливу на вугільний пласт через вмі-
щуючі породи, а також наводиться рішення аналітичної задачі визначення додаткових нор-
мальних і дотичних напружень на контакті вугільний пласт - вміщуючі породи при одиноч-
ному і подвійному імпульсах дії.
PHYSICAL ESSENCE AND MATHEMATICAL MODEL CONTROLLING
THE STATE OF MAXIMUM STRESS IN ROCK MASSIF AT IT
VIBRATION INFLUENCE
Generated physical essence of vibration influence on the method coal bed through host rocks,
and perform solution to analytical the objectives of determining additional normal and shear
stresses at the contact between coal bed - host rocks at single and double-pulse influenсe.
Теоретическими исследованиями, проведенными в ИГТМ НАН Украины
установлено [1], что максимальное значение опорного давления и ширина зоны
отжима угля при увеличении размеров выработанного пространства, угла паде-
ния, коэффициента сцепления и угла трения пласта с боковыми породами –
убывает. После выемки очередной заходки напряжения вблизи кромки забоя
практически мгновенно принимают свои предельные значения. При достаточно
высокой скорости подвигания очистного забоя сближение пород кровли и поч-
вы позади забоя значительно уменьшается, чем при малой.
В этих условиях при небольших пригрузках, действующих в течение срав-
нительно небольшого промежутка времени, угольный массив, не успевая прой-
ти стадию пластического деформирования попадает в стадию интенсивного от-
жима в сторону обнаженной забоем поверхности.
146
В настоящее время при разработке угольных пластов предложены волновые
способы управления напряженно-деформированным состоянием горного мас-
сива. Одним из таких способов является воздействие на пласт упругими волна-
ми через вмещающие породы.
Сущность способа заключается в том, что при вибрационном воздействии
на кровлю и почву энергия передается в угольный пласт упругими волнами.
При этом массив со своей стороны оказывает на упругий импульс действие
аналогичное действию низкочастотного фильтра, ослабляющего в большой
степени высокочастотные составляющие, т.е. максимум спектральной плотно-
сти импульса будет передвигаться в сторону низких частот. При этом в боко-
вых породах происходит ослабление связей и в первую очередь по плоскостям
наслоений, что приводит к значительному ускорению сближения почвы с кров-
лей, а следовательно, и к увеличению пригрузки на призабойную часть пласта.
В то же время при проходе упругих волн по контактам пласта с кровлей и поч-
вой напряжения в угольном пласте распределяются неравномерно, следствием
чего является повышение трещиноватости призабойной зоны пласта, чем обу-
славливается активизация процессов фильтрации газа и его десорбции в преде-
лах области влияния воздействия.
Таким образом создаются условия для значительного увеличения зоны от-
жима угольного пласта в его краевой части, перемещения максимума опорного
давления вглубь массива.
Выбор параметров вибровоздействия на горный массив с целью управления
его состоянием зависит от большого числа горногеологических и горнотехни-
ческих факторов. Среди них следует выделить, прежде всего, механические
свойства пласта и вмещающих пород и характер связи их на контактах.
Для конкретизации параметров вибровоздействия необходимо знать зако-
номерности изменения напряжений во времени вблизи горной выработки и за-
висимости от перечисленных факторов. В связи с этим была рассмотрена зада-
ча о напряженно-деформированном состоянии пород и угольного пласта вблизи
очистной выработки при воздействии на кровлю и почву динамических нагру-
зок, изменяющихся по произвольному закону, с учетом неодинаковых механи-
ческих свойств пласта и боковых пород при различных условиях на контактах.
Расчетная схема принималась в виде двух однородных изотропных полу-
плоскостей, между которыми располагаются две полубесконечные полосы
толщиной 2h (рис. 1). К границам полуплоскостей приложена динамическим
нагрузка Р(х, t).
147
Рис. 1 – Расчетная схема импульсного воздействия
Решение задачи осуществлялось методами динамической теории упругости
и сводилось в общем случае к решению системы интегральных уравнений
Фредгольма 1-го рода относительно дополнительных нормальных и касатель-
ных напряжений σy(х, t) и τхy(х, t) на контактах слоя и полуплоскостями.
При принятии для пласта гипотезы Винклера-Фусса – гипотезы упругого
основания. Предполагающей постоянное по толщине пласта распределение на-
пряжений, эта задача значительно упрощается и в случае отсутствия трения на
контакте угольный пласт – боковые породы сводится к определению дополни-
тельных напряжений σy из уравнения:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )∫ ∫∫ ∫ −−+−−=
∞ 1
0 01 0
,,,,,,,
tt
yy dtdtxzRzRdtdtxzRbztbx
aE
h ττττττσσμπ
,
(1)
где
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )∫∫ −
−−
+−+−
−
−=
1
2
1
2
22222
0
22
22
1
2
2
1
2
2
1
'
2
1 1ln
141ln11ln,
β
β
η
η
τ
ηη
ηβηη
π
η
η
τ
η
ηβ
πη
τ
η
βη
τ d
zfF
d
zFzF
zR , (2)
( ) ( ) 222222 1412 βηηηηη −−−−=F ,
( ) ( ) 222222 1412 βηηηηη −−+−=f . (3)
где µ - коэффициент Ламе пород; Е - модуль Юнга пласта;
a
xx = , 2C
a
tt = -
безразмерные координаты и время; x, t - действительные координаты и время;
h - полумощность пласта; b=h/a; η1 - действительный корень уравнений, F(η)=0;
148
C2 - скорость поперечных волн в породе; P(x,t) - функция динамической нагруз-
ки ( 1<x );
ν
νβ
−
−
=
1
21
2
1
, где ν - коэффициент Пуассона пород; а – полуширина
выработки;
Для численного решения (1) получена рекурентная формула для определе-
ния напряжений в (l+1)-й момент времени, через напряжения σy(x,b,t) во все
предыдущие моменты времени и функцию воздействия P(x,t).
( ) ∑∑∑
== =
+ +ΦΔ+−ΔΔ=
l
r
nlnnr
l
r
n
j
jrnrjrnR FtRxt
aE
h
11 1
,1 σσσσμπ
, (4)
где ( )trbxjyjr ΔΔ+= ,,1σσ – напряжение в точке 1+jΔx в момент времени rΔt;
β
tx Δ
=Δ - расстояние, проходимое фронтом волны за время;
n - порядковый номер точки, для которой производится вычисление напря-
жения, 0 ≤ n ≤ l+1, (σl+1, n=0 при n > l+1);
( ) ( )[ ]trlxnjRR jr Δ−+Δ−= 1, - вычисляется по формуле (2), с заменой z на (j-
n)Δx и τ на (l+1-r)Δt;
( )( )
( )
∫
Δ+
Δ−+Δ−−=Φ
xlH
r dztrlxnzR
1
1
1,1 , где ( )( )trlxnzR Δ−+Δ−− 1,1 вычисляется по
формуле (2) с заменой z на z-1-nΔx и τ на (l+1-r)Δt;
( ) ( )( ) dzdtlxnzRzPF
tl
nl τττ Δ+−Δ−−= ∫ ∫
Δ
1,1,
1
0 0
, где ( )( )tlxnzR Δ+−Δ−− 1,1 τ - вычис-
ляется по формуле (2) с заменой на z на z-1-nΔx и τ на τ-(l+1)Δt.
По формуле (4) составлена программа вычислений напряжений σy(x,b,t) на
контакте угольный пласт – боковые породы.
Таким образом, получен способ определения изменяющихся во времени на-
пряжений σy(x,b,t) и τxy(x,b,t) на контакте угольный пласт – боковые породы для
любых функций воздействия P(x,t) на кровлю и почву выработки.
Для установления основных закономерностей изменения напряженного со-
стояния в окрестности выработки при виброимпульсном воздействии на уголь-
ный пласт через вмещающие породы были рассмотрены функции воздействия
P(x,t) в виде одиночного и двойного импульса длительностью Т (рис. 2).
149
а) одиночный импульс; б) двойной импульс
Рис. 2 – Функции воздействия
В случае одиночного импульса имеем:
[ ]
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
<<
<−−
=
.0
;,)()(
),(
axd
dxTtHtHP
txP
В случае двойного импульса имеем:
( ) ( )[ ]
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
<<
<−−−+−−
=
.0
;,32)()(
),(
axd
dxTtHTtHTtHtHP
txP
где P - амплитуда импульса; H(t) - функция Хевисайда; 2d - размер контакта
рабочего органа вибратора с породой.
Расчеты проводились при следующих условиях: P = 15 МПа, L = 1.4 м –
длина пластической зоны, a = 3,5 м, d = 0,35 м, h = 1 м, ν = 0,25, Епл/Епор = 0,5 –
отношение модулей Юнга пласта и пород, ρ = 2400 кг/м3 – плотность пород.
Статическое напряженное состояние призабойной части угольного пласта
моделировалось путем специального задания коэффициента постели K=Е/h. Ре-
зультаты расчетов представлены на рис. 3. Аналогичные расчеты проводились
и для функции воздействия в виде двух последовательных импульсов (рис. 4).
а)
б)
150
а) у забоя; б) в зоне максимума опорного давления;
в) за зоной максимума опорного давления
Рис. 3 – Динамические напряжения при воздействии одним импульсом
Рис. 4 – Динамические напряжения при воздействии двойным импульсом
Анализ полученных результатов показывает, что возникающие динамиче-
ские пригрузки (1-5 МПа) соразмерны с величинами напряжений, образующих-
151
ся от технологического воздействия при традиционных способах добычи угля, а
скорости нагружения пласта (10-100 МПа/с) достаточны критическим скоро-
стям. Максимальные значения динамических пригрузок и скоростей их измене-
ния наблюдаются в точках пласта, находящихся в зоне максимума опорного
давления. С увеличением длительности импульса с 0,005 до 0,15 с увеличивает-
ся величина разгрузки пласта с 0,89 до 3,2 МПа, но уменьшается скорость раз-
грузки с 210,83 до 21,8 МПа/с, что говорит о необходимости уточнения пара-
метра «длительность импульса воздействия» с целью оптимизации величин
разгрузок пласта и их скоростей.
Из рассмотренного вытекает, что виброимпульсное воздействие на пласт
через вмещающие породы позволяет управлять напряженным состоянием пла-
ста и, в особенности, в зоне максимума опорного давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Софийский К.К. Нетрадиционные способа предотвращения выбросов и добычи угля / К.К. Софийский,
А.П. Калфакчиян, Е.А. Воробьев. – М.: Недра, 1994. – 192 с.
УДК 622.236.4.001.1
Д-р техн.. наук В. П. Курінний,
канд. физ.-мат.наук І. П. Гаркуша
(ДВНЗ «Національний гірничій інститут»)
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ГІРСЬКИХ
ПОРОДАХ, ЩО ПРОТІКАЮТЬ ПРИ РОЗПОВСЮДЖЕННІ В НИХ
УДАРНИХ ХВИЛЬ
Выполнено теоретическое изучение различных физических процессов, протекающих в
горных породах при распространении в них ударных волн.
THEORETICAL RESEARCH OF PHYSICAL PROCESSES IN ROCKS
FLOWING AT DISTRIBUTION IN THEM OF IMPACT WAVES
The theoretical study of different physical processes flowing in rocks at distribution in them of
impact waves is executed.
Широко відомо, що велика частина корисних копалин видобувається з вико-
ристанням вибухових робіт. Зростання об'ємів вживання хімічних вибухових ре-
човин (ВР) в гірничодобувній промисловості і будівництві особливо гостро ста-
вить проблему підвищення ефективності їх використання на руйнування гірських
порід, на що в Україні витрачається біля 20% виробленої енергії. Тільки чисель-
ність кар'єрів, що добувають будматеріали, становить 258. Щорічно руйнується
і подрібнюється понад 100 млн. т руди. При цьому коефіцієнт використання
енергії вибуху не перевищує 5-6%. Відбувається екологічне забруднення на-
вколишнього середовища. При масових вибухах присутній достатньо великий
відсоток негабаритних фракцій, а висока міцність шматків гірської маси при-
зводить при повторному дробленні до великої витрати електроенергії і зносу
дробарок. При дробленні граніту сортність щебеню недостатньо висока, а при
|