Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования
Розглянуто комбіновану охоронну систему для підтримання штреків у складі рамного кріплення, анкерного стяжного кріплення і литої смуги. Представлено результати математичного моделювання взаємодії системи з породним масивом після проходу лави....
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2009
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18067 |
| 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: | Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования / М.А. Ильяшов, О.Д. Кожушок // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 466-476. Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-18067 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-180672013-02-13T02:05:52Z Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования Ильяшов, М.А. Кожушок, О.Д. Розглянуто комбіновану охоронну систему для підтримання штреків у складі рамного кріплення, анкерного стяжного кріплення і литої смуги. Представлено результати математичного моделювання взаємодії системи з породним масивом після проходу лави. The combined security system for maintenances of drifts in structure of a framed linings, anchor coupling linings and cast strips is considered. The results of mathematical modelling interactions of a system with a rock mass after pass of lavas are submitted. 2009 Article Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования / М.А. Ильяшов, О.Д. Кожушок // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 466-476. Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18067 622.831 ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розглянуто комбіновану охоронну систему для підтримання штреків у складі рамного кріплення, анкерного стяжного кріплення і литої смуги. Представлено результати математичного моделювання взаємодії системи з породним масивом після проходу лави. |
| format |
Article |
| author |
Ильяшов, М.А. Кожушок, О.Д. |
| spellingShingle |
Ильяшов, М.А. Кожушок, О.Д. Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| author_facet |
Ильяшов, М.А. Кожушок, О.Д. |
| author_sort |
Ильяшов, М.А. |
| title |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| title_short |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| title_full |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| title_fullStr |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| title_full_unstemmed |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| title_sort |
анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/18067 |
| citation_txt |
Анализ работы комбинированной охранной системы выемочного штрека по результатам компьютерного моделирования / М.А. Ильяшов, О.Д. Кожушок // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2009. — № 5, ч. 1. — С. 466-476. Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ilʹâšovma analizrabotykombinirovannojohrannojsistemyvyemočnogoštrekaporezulʹtatamkompʹûternogomodelirovaniâ AT kožušokod analizrabotykombinirovannojohrannojsistemyvyemočnogoštrekaporezulʹtatamkompʹûternogomodelirovaniâ |
| first_indexed |
2025-07-02T19:13:33Z |
| last_indexed |
2025-07-02T19:13:33Z |
| _version_ |
1836563682392276992 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
466
УДК 622.831
АНАЛИЗ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ ОХРАННОЙ
СИСТЕМЫ ВЫЕМОЧНОГО ШТРЕКА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Ильяшов М. А., Кожушок О. Д.
(Группа "Энерго", г. Донецк, Украина)
Розглянуто комбіновану охоронну систему для підтримання
штреків у складі рамного кріплення, анкерного стяжного кріп-
лення і литої смуги. Представлено результати математичного
моделювання взаємодії системи з породним масивом після прохо-
ду лави.
The combined security system for maintenances of drifts in
structure of a framed linings, anchor coupling linings and cast strips
is considered. The results of mathematical modelling interactions of a
system with a rock mass after pass of lavas are submitted.
Одной из острых проблем на угольных шахтах Донбасса яв-
ляется значительное увеличение затрат на поддержание и ремонт
выемочных штреков. Отечественный и мировой опыт показал,
что для их безаварийного поддержания в условиях больших глу-
бин необходимо использование комбинированных охранных сис-
тем [1-6]. В условиях шахты «Красноармейская-Западная № 1»
накоплен опыт охраны выемочных штреков, как до подхода лавы,
так и за лавой с использованием комбинированной охранной сис-
темы, включающей рамно-анкерное крепление и однорядную ли-
тую полосу [1]. Однако анализ опыта охраны выработок по ука-
занной схеме свидетельствует, что она эффективна при умерен-
ных нагрузках на очистной забой. Увеличение среднесуточной
добычи связано с возрастанием скорости перемещения линии за-
боя. Как показали результаты натурных исследований, величина
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
467
вертикальных сжимающих напряжений σв (МПа) в материале од-
норядной литой полосы на ее начальном участке связана с удале-
нием от лавы L (м) эмпирической зависимостью
σ = 6,6 ln L – 11,5 (1)
В то же время, величина прочности материала полосы на
одноосное сжатие σсж. (МПа) связана со временем t (сут) тверде-
ния материала эмпирической зависимостью
σсж.= 0,001 t3 - 0,079 t2 + 2,55 t - 0,93 (2)
С учетом закономерности (2) были построены графики из-
менения предела прочности на одноосное сжатие материала по-
лосы в зависимости от расстояния до лавы при различной скоро-
сти подвигания забоя: 2, 4, 6 и 8 м/сут. На полученное семейство
кривых был наложен график изменения величины сжимающего
напряжения от расстояния до лавы, соответствующий зависимо-
сти (1), что представлено на рисунке 1.
1 – 2м/сут, 2 – 4 м/сут, 3 – 6 м/сут, 4 – 8 м/сут, 5 – зависимость сжи-
мающих напряжений в материале полосы по мере удаления от лавы
Рис. 1. Изменение предела прочности на одноосное сжатие
материала литой полосы при различной скорости пе-
ремещения забоя
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
468
Рисунок 1 свидетельствует, что для конкретной конструк-
ции однорядной литой полосы существует критическая скорость
подвигания очистного забоя, при которой набор прочности мате-
риала полосы происходит быстрее, чем нарастание нагрузок на
нее. Интенсификация очистных работ, вследствие которой суточ-
ное перемещение линии забоя превышает 4 м, приводит к пере-
грузке конструкции уже на начальном этапе ее существования,
необратимым деформациям и существенному снижению несущей
способности в дальнейшем, даже при полном отвердении мате-
риала.
Простое увеличение ширины полосы для снижения давле-
ния на нее приводит к существенному возрастанию трудовых и
материальных затрат на ее возведение. При поиске приемлемых
вариантов усиленной конструкции литой полосы путем физиче-
ского моделирования одним из перспективных направлений ока-
залось дополнение базовой конструкции органной крепью с ос-
тавлением разгрузочной ниши между твердеющим материалом и
выработанным пространством.
Авторами проработана математическая модель, в которой
базовая конструкция литой полосы изменена с учетом результа-
тов физического моделирования и она является равноправным
элементом комбинированной охранной системы, содержащей
также рамную и анкерную стяжную крепь. Модель описывает
распределение напряжений в системе «комбинированная охран-
ная система – породный массив» при условии, что посадка ос-
новной кровли еще не произошла, а непосредственная кровля
уже обрушилась в выработанное пространство за пределами ох-
ранной конструкции. На основании экспериментальных данных
принято допущение, что обрушение непосредственной кровли
происходит по линии, проходящей через верхний угол охранной
конструкции и наклоненной в сторону выработанного простран-
ства под углом 70º.
Начальная площадь поперечного сечения выработки 15,6 м2.
Выработка закреплена рамной крепью типа КМП-А3 с шагом 1 м.
В кровле между рамами установлена анкерная стяжная крепь,
каждое звено которой состоит из пары наклонно установленных в
кровлю выработки анкеров, соединенных между собой стяжкой.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
469
Непосредственная кровля и почва угольного пласта пред-
ставлена алевролитом. Основная кровля и почва – песчаник. По-
рода в зоне обрушения, а также в приконтурной зоне выработки
на глубине до 0,5 м наделены особыми свойствами.
Задача сформулирована в плоской постановке. Размеры рас-
четной области: 45 м по горизонтали и 26 м по вертикали. Гра-
ничные условия заданы следующим образом:
на верхней горизонтальной границе модели – равномерная
нагрузка гравитационного происхождения σy = γH = 20 МПа и от-
сутствие касательных напряжений τxy = 0;
на вертикальных боковых поверхностях - запрет горизон-
тальных деформаций Ux = 0;
на нижней границе – полное сцепление с абсолютно жест-
ким основанием Ux = 0 и Uy = 0.
Предполагается отсутствие сцепления между породными
слоями.
Рассмотрено два варианта модели, отличающиеся конструк-
цией литой полосы. В базовом варианте она выполнена одинар-
ной, с размещением заливочной емкости между двумя одинар-
ными рядами органной крепи. По второму варианту в породном
массиве между полосой и отработанным пространством сформи-
рована ниша, ограниченная двухрядной органной крепью с пере-
крытием ниши деревянным брусом.
Центральная часть модели по первому (базовому) варианту
представлена на рисунке 2. Влияние дискретно расположенной с
определенным шагом металлокрепи заменено равномерно рас-
пределенной реакцией отпора. Для рамы расчет указанной реак-
ции дает значение R1 = 0,05 МПа. Аналогичный расчет для ан-
керной стяжной крепи приводит к величине распределенного со-
противления, действующего по выделенному штрихпунктирной
линией (поз. 4) контуру R2 = 0,03 МПа.
Система координат выбрана таким образом, чтобы верти-
кальная ось Y совпадала с осью симметрии выработки, а горизон-
тальная ось Х проходила по границе угольного пласта. При этом
начало системы координат оказывается примерно в центре выра-
ботки.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
470
1 – уголь, 2 – алевролит, 3 – песчаник, 4 – контур зоны влияния ан-
керной стяжной крепи, 5 – органная крепь, 6 – твердеющий материал, 7 –
влажный алевролит под полосой, 8 – зона разрушенных пород
Рис. 2. Центральная часть первого варианта модели
Угольный пласт 1 в расчетах принимается однородным и
изотропным. Слоистость алевролита 2 учтена делением на от-
дельные слои толщиной 0,5 м, сцепление между которыми отсут-
ствует. Песчаник 3 также считают однородной изотропной сре-
дой. Прочностные и деформационные свойства твердеющего ма-
териала 6 литой полосы принимаются по их значению через 28
суток после заливки смеси. Участок 7 алевролита в почве под ли-
той полосой переувлажнен и обладает своим набором показате-
лей физико-механических свойств. Зона 8 разрушенных пород
также характеризуется своими особыми прочностными и дефор-
мационными характеристиками.
Центральная часть второго варианта модели представлена
на рисунке 3.
Формально задачу решают в упругой постановке. Однако,
для учета эффектов, возникающих в горных породах и строи-
тельных материалах при напряжениях, близких к пределу проч-
ности, расчетная схема обладает рядом особенностей.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
471
1 – уголь, 2 – алевролит, 3 – песчаник, 4 – контур зоны влияния ан-
керной стяжной крепи, 5 – органная крепь, 6 – твердеющий материал, 7 –
влажный алевролит под полосой, 8 – деревянное крепление разгрузочной
ниши, 9 – зона разрушенных пород
Рис. 3. Центральная часть второго варианта модели
Нелинейность зависимости между напряжением и деформа-
цией учитывают путем ее аппроксимации кусочно-ломаной ли-
нией с индивидуальным набором формально упругих параметров
на каждом из участков.
Второй особенностью является введение гистерезиса, кото-
рый косвенным образом учитывает необратимое появление тре-
щин в материале после завершения упругого участка деформиро-
вания. Он выглядит таким образом, что при разгрузке элемента
среды (отрицательное приращение по отношению к предыдуще-
му состоянию) возврат идет с первоначальными упругими пара-
метрами (трещины не смыкаются обратно), а при положительном
приращении напряжения возрастание деформации снова проис-
ходит с повторением участков аппроксимирующей ломаной.
Общий алгоритм вычислительного процесса, реализующий
принцип необратимого накопления поврежденности в процессе
разрушения материала осуществляется следующим образом. При
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
472
первом расчете определяют конечные элементы, для которых на-
пряжения превзошли упругие, фиксируют уже достигнутую ими
деформацию и метят их. В эту категорию автоматически входят
элементы, расположенные в зоне разрушенных пород. При по-
вторном расчете вследствие деформаций первоначальной модели
возможно перераспределение поля напряжений, в том числе и
снижение напряжений в отдельных меченых конечных элемен-
тах. В то же время могут возникнуть перенапряжения на других
участках, В перечень "меченых" безвозвратно попадают новые
элементы, для которых фиксируется деформация, приводящая к
новой модели с измененным полем деформаций. Расчет выполня-
ется для нее и так до тех пор, пока разница между количеством
меченых элементов на n-ом и n+1 шаге будет незначительной.
Проверка показала, что процесс является сходящимся.
Было выделено 5 градаций горизонтальных напряжений
(табл. 1).
Таблица 1
Условные обозначения для диапазонов градаций
горизонтального напряжения
Номер
градации
Диапазон напряжений
МПа
Графическое
обозначение
1 -12 - 0
2 0 - 12
3 12 - 24
4 24 - 36
5 38 - 48
Распределение горизонтальных напряжений в центральной
части базового варианта модели представлено на рисунке 4, а для
варианта с разгрузочной нишей – на рисунке 5.
Диапазон изменения вертикальных сжимающих напряжений
несколько иной, чем для горизонтальных, что обусловило изме-
нение градаций (табл. 2).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
473
Рис. 4. Распределение горизонтальных напряжений в цен-
тральной части первого варианта модели
Рис. 5. Распределение горизонтальных напряжений в цен-
тральной части второго варианта модели
Таблица 2
Условные обозначения для градаций вертикального напряжения
Номер
градации
Диапазон напряжений
МПа
Графическое
обозначение
1 0 - 13
2 13 - 26
3 26 - 39
4 39 - 52
5 52 - 65
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
474
Распределение вертикальных напряжений в центральной
части первого варианта модели представлено на рисунке 6, а вто-
рого – на рисунке 7.
Рис. 6. Распределение вертикальных напряжений в цен-
тральной части первого варианта модели
Рис. 7 Распределение вертикальных напряжений в цен-
тральной части второго варианта модели
Результаты математического моделирования показали, что
изменение конструкции литой полосы практически не сказывает-
ся на распределении напряжений со стороны угольного целика, а
ее влияние на распределение напряжений в своде и почве выра-
ботки незначительно.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
475
Основные изменения в поле напряжений происходят со сто-
роны отработанного пространства.
Наличие разгрузочной ниши привело к удалению зоны по-
вышенных горизонтальных напряжений вглубь массива. Указан-
ное обстоятельство улучшает работу комбинированной охранной
системы по двум причинам. Первая причина связана с уменьше-
нием вероятности опрокидывания литой полосы, что часто имеет
место на практике при мощности угольного пласта свыше 2,0 м.
Вторая причина – снижение горизонтальной составляющей гор-
ного давления на стойку рамной крепи со стороны выработанно-
го пространства.
Сравнительный анализ вертикальных напряжений для обоих
вариантов показал, что в случае использования разгрузочной ни-
ши она разрывает зону повышенных напряжений на два участка –
приближенный к контуру выработки и удаленный от нее. На
ближнем участке расположена собственно литая полоса, которая
выполняет только одну функцию – сопротивление действию вер-
тикального сжимающего напряжения. Эффективная работа дан-
ного элемента конструкции позволяет частично разгрузить стой-
ки органной крепи, оконтуривающие нишу. В свою очередь,
осуществляя обламывание породной консоли на удалении от гра-
ницы заливочной емкости, сдвоенный органный ряд способствует
более равномерному распределению нагрузок на литую часть
конструкции и дает возможность набрать прочность без перехода
заливки в крупноблочное состояние. Кроме этого, сохранение
непосредственной кровли пласта в ближней зоне выработки со
стороны выработанного пространства повышает несущую спо-
собность анкеров, входящих в состав анкерной стяжной крепи.
Таким образом, проведенный анализ показал преимущества
второго варианта с разгрузочной нишей.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Байсаров Л. Геомеханика и технология поддержания повтор-
но используемых выработок [Текст] / Л. Байсаров,
М. А. Ильяшов, А. И. Демченко. – Днепропетровск: ЧП «Лира
ЛТД», 2005. – 240 с.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), 2009
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 5 (part I), 2009
476
2. Кожушок О. Д. Совершенствование комбинированных ох-
ранных конструкций для поддержания повторно используе-
мых выемочных штреков [Текст] / О. Д. Кожушок,
С. В. Борщевский // Вісті Донецького гірничого інституту:
ДНВЗ «ДонНТУ», 2008. – С. 192-198.
3. Ткачев В. А. Обеспечение устойчивости подготовительных
выработок в сложных горно-геологических условиях [Текст] /
В. А. Ткачев, А. Ю. Компанейцев // Перспективы развития
Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Ч. 1. – Новочеркасск: УПЦ
«Набла», 2008. – С. 146 – 151.
4. Лангош У. Проектные основы управления горным давлением
комбинированной крепью пластовых выработок [Текст] //
Глюкауф. – 2002. – № 1. – С. 16-20.
5. Гайко Г. И. Опыт крепления горных выработок на шахтах
Польщи / Г. И. Гайко, Т. Майхерчик [Текст] // Уголь Украи-
ны. – 2002. – №1. – С. 51-53.
6. Штефан К. В. Арочные и замкнутые по почве системы креп-
ления, средства охраны штреков со стороны выработанного
пространства и укрепление пород [Текст] // Глюкауф. - 2004. -
№ 1. – С. 50-57.
|