Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами
Виконано математичне моделювання напруженого стану гірського масиву навколо пластової виймальної виробки після проходу лави за допомогою методу скінченних елементів при різних співвідношеннях міцності оточуючих порід і матеріалу штучної опори....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| 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/123456789/53734 |
| 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: | Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами / В.А. Канин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 108-113. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53734 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-537342014-01-27T03:11:47Z Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами Канин, В.А. Виконано математичне моделювання напруженого стану гірського масиву навколо пластової виймальної виробки після проходу лави за допомогою методу скінченних елементів при різних співвідношеннях міцності оточуючих порід і матеріалу штучної опори. Mathematical simulation of rock mass stress state around in-seam extraction working after longwall driving is carried out with the help of finite-element method with different correlations of surrounding rock strength and artificial support material. 2012 Article Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами / В.А. Канин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 108-113. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53734 622.831 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 |
Виконано математичне моделювання напруженого стану гірського масиву навколо
пластової виймальної виробки після проходу лави за допомогою методу скінченних
елементів при різних співвідношеннях міцності оточуючих порід і матеріалу штучної опори. |
| format |
Article |
| author |
Канин, В.А. |
| spellingShingle |
Канин, В.А. Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами Геотехническая механика |
| author_facet |
Канин, В.А. |
| author_sort |
Канин, В.А. |
| title |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| title_short |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| title_full |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| title_fullStr |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| title_full_unstemmed |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| title_sort |
напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53734 |
| citation_txt |
Напряженное состояние пород вокруг выемочной выработки, охраняемой искусственными опорами / В.А. Канин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 108-113. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT kaninva naprâžennoesostoânieporodvokrugvyemočnojvyrabotkiohranâemojiskusstvennymioporami |
| first_indexed |
2025-07-05T05:04:53Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:04:53Z |
| _version_ |
1836782079421972480 |
| fulltext |
108
Основатели конференции выражают искреннюю благодарность Президиуму
НАН Украины за поддержку в ее организации и проведении.
Следующие заседания научного форума планируется провести, как всегда,
через два года. Более детальная информация будет размещена на Web-сайте:
http://iipt.com.ua.
УДК 622.831
Д-р техн. наук В.А. Канин
(УкрНИМИ НАН Украины)
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД ВОКРУГ ВЫЕМОЧНОЙ
ВЫРАБОТКИ, ОХРАНЯЕМОЙ ИСКУССТВЕННЫМИ ОПОРАМИ
Виконано математичне моделювання напруженого стану гірського масиву навколо
пластової виймальної виробки після проходу лави за допомогою методу скінченних
елементів при різних співвідношеннях міцності оточуючих порід і матеріалу штучної опори.
STRESS STATE OF ROCKS AROUND MINE WORKING PROTECTED BY
ARTIFICIAL SUPPORTS
Mathematical simulation of rock mass stress state around in-seam extraction working after
longwall driving is carried out with the help of finite-element method with different correlations of
surrounding rock strength and artificial support material.
При охране выемочных выработок искусственными опорами силовое взаи-
модействие опор с расслоившимися породами кровли определяется как свойст-
вами пород, так и деформационными характеристиками самих опор. Как пока-
зали исследования [1], при использовании опор постоянного сопротивления зо-
на расслоения пород при тонкослоистой структуре кровли меньше, чем в случае
использования опор нарастающего сопротивления. Уменьшая опускание по-
родной консоли, опоры постоянного сопротивления способствуют также со-
хранению связей в слоях, и в случае их нарушения могут быстро развить сопро-
тивление до рабочего и тем самым предотвратить развитие заколов или обру-
шений пород кровли.
Для уточнения деталей силового взаимодействия поддерживающих опор
различной прочности с окружающими породами было выполнено математиче-
ское моделирование методом конечных элементов. Моделируемая область
включала участок массива, примыкающий к сопряжению выемочной выработ-
ки с лавой. Вертикальное сечение было разбито на 1050 конечных прямоуголь-
ных элементов. Вблизи выработки и поддерживающей опоры сетка разбивки
сгущалась, что позволило получить решение о перераспределении напряжений с
достаточной точностью. Моделирование выполнялось для условий охраны вы-
работки арочной формы сечением 13,8 м2, высотой 3,6 м и шириной 4,2 м,
пройденной по пласту мощностью 1,5 м на глубине 800 м. Ширина опоры – 1,5 м.
Прочность угольного пласта – 15 МПа. Значения этих параметров на всех эта-
пах моделирования оставались постоянными, а значения прочностных характе-
ристик породного массива и материала поддерживающей опоры варьировались.
Имитация запредельного состояния пород и материала опоры проводилась
путем итерационного повторения следующей процедуры. На каждой ступени
109
приложения нагрузки к верхней части модели проверялось условие прочности по
теории Кулона-Мора с учетом сцепления, угла внутреннего трения и коэффици-
ента разуплотнения материала после перехода его в запредельное состояние.
Моделирование необратимых деформаций разрушения выполнялось с исполь-
зованием процедуры начальных напряжений [2]. Нагрузка в узлах, примыкаю-
щих к элементу, перешедшему в запредельное состояние, корректировалась с
таким расчетом, чтобы соотношение полученных напряжений и деформаций
соответствовало реальному поведению породы при испытаниях на жестких
прессах. Такой пересчет на каждом шаге нагружения повторялся многократно.
В целом же задача решалась за сотни итераций, в процессе выполнения кото-
рых прослеживалась сходимость решения.
На первом этапе исследований моделировался устойчивый массив. Проч-
ность пород на сжатие (σп) – 60 МПа, сцепление – 0,5 МПа, модуль упругости –
2 МПа, угол внутреннего трения – 30°, прочность опоры (σо) – 5,0 МПа. Полу-
ченные для этих условий распределения напряжений представлены на рис. 1.
а – горизонтальные напряжения; б – вертикальные напряжения; в – касательные напряжения;
г – пластические (запредельные) зоны напряжений
Рис. 1 – Распределение напряжений вокруг выработки при σо = 5 МПа и σп = 60 МПа
На рис. 1,а повышенное горизонтальное сжатие наблюдается со стороны не-
тронутого массива (1), над краевой частью выработанного пространства – об-
ласть растяжения (2). Состояние, близкое к растяжению (3) отмечается и над
опорой. Непосредственная почва выработки находится в состоянии сжатия в
направлении слоистости. Вертикальные напряжения (рис. 1,б) распределены сле-
дующим образом. В боку выработки со стороны нетронутого массива наблюда-
ется область (1) повышенного давления, концентрация которого (k) над краевой
частью пласта достигает трех. Область повышенных напряжений с k = 1,5-1,8
наблюдается и в средней части опоры. Над и под выработанным пространством
110
лавы образовались зоны растяжения (3 и 4). Зоны растяжения (5 и 6) сформиро-
вались также над и под выработкой. Переходной участок между зонами раз-
грузки и повышенных напряжений наблюдается со стороны нетронутого масси-
ва (7). Максимальные касательные напряжения (рис. 1,в) наблюдаются в кровле
выработки со стороны нетронутого массива (1). Парная ей область (2) образуется
в почве со стороны сопряжения с лавой. Напряжения в этих областях вывора-
чивают блоки породы в полость выработки против часовой стрелки. Аналогичная
пара областей в левом верхнем (3) и в правом нижнем (4) боку выработки пово-
рачивает породные блоки по часовой стрелке. Кроме того, область 3 имеет пар-
ную область 6, в которой напряжения концентрируются в левой части опоры, а
область 2 взаимодействует с областью 5 над правой частью опоры. Напряжения
в областях 5 и 6 выворачивают породы в полость выработанного пространства.
Области запредельного состояния показаны на рис. 1,г. В запредельное состоя-
ние перешла краевая часть пласта (1) с коэффициентом разрыхления 1,3 и опора
(2) с коэффициентом разрыхления 1,15-1,2.
На следующем этапе исследований (рис. 2) были приняты: σп = 30-40 МПа,
сцепление – 0,1 МПа; модуль упругости – 0,5 МПа, σо = 5,0 МПа.
а – горизонтальные напряжения; б – вертикальные напряжения; в – касательные напря-
жения; г – пластические (запредельные) зоны напряжений
Рис. 2 – Распределение напряжений вокруг выработки при σо = 5 МПа и σп = 30-40 МПа
На рис. 2,а показано распределение горизонтальных напряжений, которое
при уменьшении прочности пород претерпело изменения: в кровле над вырабо-
танным пространством увеличивалась область растяжения (1); в почве появи-
лась область растягивающих напряжений (2); над опорой (3) и в опоре напря-
жения сжатия снизились. Распределение вертикальной компоненты напряже-
ний изменилось несущественно. Распределения касательных напряжений на
рис. 2,в и 1,в также схожи. Таким образом, эффект уменьшения прочности по-
род связан с изменением распределения горизонтальной компоненты напряже-
ний, в результате чего увеличились зоны растягивающих нагрузок и уменьши-
111
лись зоны сжатия. Это послужило причиной развития нескольких областей за-
предельного состояния (рис. 2,г), которые заняли большую площадь на верти-
кальном разрезе массива, примыкающего к выработке. Со стороны нетронутого
массива в запредельное состояние перешла вся часть массива, примыкающая к
правому борту выработки (2), а центр зоны максимального разуплотнения у по-
лости выработки переместился в породы кровли. В кровле развилась обширная
область запредельного состояния (3), представляющая опасность по обрушению
породы. В связи с этим, при залегании в кровле неустойчивых пород необходи-
мо предусматривать мероприятия по их закреплению в области 3 для снижения
опасности завала выработки. Область запредельного состояния в породах кровли
развилась также и над опорой (4), но в данном случае это является положитель-
ным моментом, подтверждающим возможность использования опор прочно-
стью 5 МПа в качестве обрезной крепи. В запредельное состояние перешла и
сама опора (5), в ядре которой произошло снижение уровня сжатия.
На следующем этапе исследований моделирование проводилось в тех же
условиях, но при прочности материала опоры 12 МПа (рис.3).
а – горизонтальные напряжения; б – вертикальные напряжения;
в – касательные напряжения; г – пластические (запредельные) зоны напряжений
Рис. 3 – Распределение напряжений вокруг выработки при σо = 12 МПа и σп = 30-40 МПа
Распределение горизонтальной компоненты напряжений (рис. 3,а) измени-
лось таким образом, что область горизонтального сжатия внутри опоры соеди-
нилась с областью сжатия под выработкой. Одновременно с этим возникла об-
ласть пониженного сжатия под основанием опоры. Повышение прочности опо-
ры перераспределило и вертикальную компоненту напряжений (рис. 3,б). Из-
менилось и распределение касательных напряжений (рис. 3,в). В результате от-
меченных метаморфоз существенные изменения произошли и в характере фор-
мирования областей запредельного состояния (рис. 4,г). С увеличением проч-
ности опоры более обширной стала зона разрушений (5) над опорой. Появилась
112
новая зона разрушений (6) под основанием опоры. Зона разрушений (4) в кров-
ле над правой частью выработки существенно сократилась. Сократилась также
и зона разрушений (3) в почве выработки под краевой частью пласта. А зона
разрушений 1 и по форме и по размерам осталась такой же. Суммарная протя-
женность участков периметра выработки, соприкасающихся с зонами разруше-
ний, увеличилась и увеличилась площадь участков кровли и почвы, для обеспече-
ния устойчивости которых необходимо производить закрепление пород. В це-
лом, анализируя особенности формирования зон разрушений вокруг выработки,
охраняемой опорами при различной прочности пород, можно сделать выводы:
1. Опоры с σо = 5 МПа в условиях пород с σсж ≥ 60 МПа функции обрезной
крепи не выполняют, о чем свидетельствует отсутствие зон разрушений на
контакте опоры с кровлей пласта (рис. 1,г).
2. В условиях, где были использованы опоры с σо = 5 МПа, зоны разрушений в
породах почвы отсутствуют. Следовательно, такие опоры оказывают щадящее
действие на породы почвы, и не способствуют их выдавливанию в выработку.
3. В неустойчивых породах (σсж ≤ 30-40 МПа) опоры с σо = 5 МПа способны
выполнять функцию обрезной крепи. В процессе деформирования опоры (ε),
зона разрушений пород начинает проявляться при ε = 12 %. Применительно к
газобетонным опорам [3] это значение характеризует работу опоры в области
постоянного сопротивления.
4. Повышение прочности опор в неустойчивых породах не решает пробле-
му безаварийного поддержания выработок. С точки зрения безопасности работ
это связано с увеличением протяженности зон разрушений по контуру выра-
ботки, которые повышают опасность обрушений пород кровли, а с точки зре-
ния эффективности охраны выработки – ситуация ухудшается вследствие по-
вышения вероятности выдавливания пород почвы. Как видно на рис. 4, форми-
рование зоны разрушений пород под основанием опоры начинается при ε = 8 %,
а при ε = 27 % зона разрушений становится обширной. Зона разрушений пород
над опорой с σо = 12 МПа начинает формироваться при ε = 2 %, что является по-
ложительным качеством. Но в отличие от характера формирования зоны разру-
шений над опорой с σо = 5 МПа зона разрушений уже на первых стадиях де-
формирования опоры захватывает и породы на контуре выработки. Эти данные
согласуется с опытом охраны выработок различными видами крепежных кон-
струкций [3], где было показано, что эффективное применение железобетонных
опор было достигнуто только на пластах с устойчивыми породами.
113
Рис. 4 - Динамика формирования зон разрушений вокруг выемочной выработки в процессе
деформирования поддерживающей опоры прочностью 12 МПа.
5. При охране выемочных выработок в условиях неустойчивых пород после
деформирования опор (независимо от их прочности) на 8-12 % практически по
всему борту выработки, противоположному выработанному пространству, об-
разуется область запредельного состояния, которая к заключительной стадии
процесса увеличивается по площади примерно в два раза. В этой области воз-
можны разрушения породы с последующими вывалами в полость выработки.
Таким образом, при выборе материала и конструкции опор для эффективной
охраны выемочных выработок несущую способность опор и их податливость
необходимо соизмерять с прочностными характеристиками вмещающих пород.
Если же материал опор уже задан, но в процессе их эксплуатации изменяются
прочностные характеристики пород, то на формирование зон разрушений во-
круг выработки можно влиять, регулируя податливость и несущую способность
опор за счет ввода в их конструкцию прокладок различной жесткости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов А.А. Исследование поведения пород кровли при применении стоек постоянного и нарастающего
сопротивления // Сборник статей по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород. Сб.
XXXVI. – Л.: ВНИМИ, 1959. – С. 145–159.
2. Решение проблемы провалов земной поверхности при закрытии угольных шахт / Е.Л. Звягильский,
С.С. Пенг, Н.Ф. Шевченко, В.В. Назимко // Стратегия управления социально-экономическим развитием региона
на период до 2010 года. – Донецк: ИЭПИ. – Т. 1. – С. 42-46.
3. Канин В.А., Анциферов А.В. Охрана горных выработок газобетонной крепью. – Донецк: ООО «АЛЛАН»,
2004. – 396 с.
114
УДК [681.523.24:532.5:62-9]:622.031
Асп. А.А. Ангеловский
(ИГТМ НАН Украины)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО РЫХЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТОВ
В роботі дано зіставлення теоретичного розрахунку з експериментальними даними час-
тоти і розмаху автоколивань тиску кавітаційного пристрою. Рекомендовані коригування ро-
бочого граничного відношення тиску до напірного тиску, з урахуванням яких істотно підви-
щується достовірність теоретичного розрахунку.
THE DETERMINATION OF HYDRODYNAMIC PARAMETERS OF THE
PULSE DEVICE FOR LOOSENING COAL SEAMS.
This paper gives a comparison of theoretical calculations with experimental data of frequency
and amplitude of oscillation of the cavitation pressure device. Recommended adjusting the bound-
ary of the working relationship of pressure to the discharge pressure, under which substantially in-
creases the reliability of theoretical calculations.
Одним из эффективных способов предотвращения внезапных выбросов угля
и газа является гидрорыхление угольного массива путём статического нагнета-
ния воды или водных химреактивов (ПАВ или ХАВ) в угольные пласты, обес-
печивающее разгрузку последних от горного давления и дегазацию призабой-
ного пространства через систему вновь образованных трещин.
Однако практикой ведения горных работ выявлен ряд существенных недос-
татков статического нагнетания. При сложном строении угольного пласта из-за
наличия слоёв и пропластков с низкими фильтрационными свойствами непре-
рывное нагнетание воды сопровождается её прорывом в свободное пространст-
во с падением гидростатического давления. В результате в угольном пласте
формируются локальные зоны пригрузки, которые при проведении работ по
выемке угля являются инициаторами газодинамических явлений.
Одним из перспективных направлений, позволяющих исключить эти недос-
татки, является создание высокоамплитудных гидродинамических волн в сква-
жине устройством (рис. 1), основанным на явлении периодически-срывной ка-
витации, реализующейся путём подачи жидкости через трубку Вентури с углом
раскрытия диффузора 18-22°.
1 – корпус, 2 – герметизатор, 3 – генератор упругих колебаний, 4 – переходник с канала-
ми для отвода жидкости, 5 – трубка для отвода жидкости, 6 – патрубок под высоконапорный
рукав, 7 – запорная втулка с переходником под манометр
Рис. 1 – Устройство гидроимпульсного воздействия на угольный пласт
|