Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве
Наведено результати аналітичних досліджень деформацій штреку при зведенні подвійної литої смуги в відпрацьованому просторі. The results of analytical researches of deformations of a drift are given at building of a double cast strip in mined-out space....
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31463 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве / О.Д. Кожушок // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 10-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859846109713661952 |
|---|---|
| author | Кожушок, О.Д. |
| author_facet | Кожушок, О.Д. |
| citation_txt | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве / О.Д. Кожушок // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 10-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Наведено результати аналітичних досліджень деформацій штреку при зведенні подвійної литої смуги в відпрацьованому просторі.
The results of analytical researches of deformations of a drift are given at building of a double cast strip in mined-out space.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:39:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
10 Выпуск № 78
УДК 622.831
О.Д. Кожушок
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
В ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ
ВОЗВЕДЕНИИ ДВОЙНОЙ ЛИТОЙ ПОЛОСЫ
В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Наведено результати аналітичних досліджень деформацій штреку при зведенні подвійної
литої смуги в відпрацьованому просторі.
MODE OF DEFORMATION IN A MARGINAL ZONE
DEVELOPMENT GALLERY AT BUILDING OF A DOUBLE CAST STRIP
IN MINED-OUT SPACE
The results of analytical researches of deformations of a drift are given at building of a double
cast strip in mined-out space.
В последние годы угольная промышленность Украины характеризуется кон-
центрацией производства на ограниченном числе крупных предприятий. Ис-
пользование достижений науки в совокупности с техническим перевооружени-
ем всех звеньев угледобычи позволили значительно увеличить нагрузку на очи-
стной забой. Однако быстрое подвигание лавы привело к новым проблемам.
Одной из них является ухудшение состояния сопряжения выемочного штрека с
лавой при использовании традиционных крепей сопряжения.
Выполненные в Германии в конце прошлого века обширные исследования
показали, что достаточно эффективным способом поддержания выемочного
штрека за лавой и самого сопряжения является возведение в выработанном про-
странстве приштрековой литой полосы. На Украине такая технология адапти-
рована применительно к условиям Центрального Донбасса и успешно исполь-
зуется на передовых предприятиях отрасли: шахтах «Красноармейская-
Западная № 1» и им. А.Ф. Засядько [1, 2]. Однако анализ практического опыта
эксплуатации комбинированной охранной конструкции, поддерживающей
штрек за лавой, показал, что при большой скорости подвигания очистного за-
боя в сочетании со слабыми породами в почве она также оказывается недоста-
точно эффективной.
Одним из прорабатываемых в настоящее время вариантов повышения кон-
структивного качества комбинированной охранной конструкции для поддержа-
ния выемочнго штрека за лавой является включение в ее состав двухрядной ли-
той полосы. В данной работе представлен теоретический анализ работы такой
конструкции. Схема расчетной области представлена на рис. 1.
Для проведения численных расчетов используется метод конечных элемен-
тов [3, 4]. Конечно-элементная модель является плоской. Проведение вычисли-
тельного эксперимента выполнено в упругой постановке, что снижает точность
полученных результатов, однако позволяет определить основные тенденции
деформирования сложной системы «крепь–массив» и характер влияния на де-
формации выработки охранной конструкции в виде литой полосы.
"Геотехническая механика" 11
а
л
е
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
–
п
ес
ч
ан
и
к
; 2
–
а
л
ев
р
о
л
и
т;
3
–
у
го
л
ь
; 4
–
а
л
ев
р
о
л
и
т;
5
–
п
ес
ч
ан
и
к
; 6
–
п
р
и
к
о
н
ту
р
н
ы
й
с
л
о
й
; 7
–
а
р
о
ч
н
ая
к
р
еп
ь
; 8
–
с
то
й
к
а
д
ер
е-
в
я
н
н
ая
; 9
–
н
и
зк
о
п
р
о
ч
н
ая
п
о
л
о
са
; 1
0
–
в
ы
со
к
о
п
р
о
ч
н
ая
п
о
л
о
са
; 1
1
–
у
в
л
аж
н
ен
н
ы
й
а
л
ев
р
о
л
и
т;
1
2
–
гр
ан
и
ц
а
сл
о
ев
; 1
3
–
р
аз
р
у
ш
ен
-
н
ая
п
о
р
о
д
а
Р
и
с.
1
–
С
х
ем
а
р
ас
ч
ет
н
о
й
о
б
л
ас
ти
12 Выпуск № 78
Таким образом, к разработке модели принят вариант комбинированной ох-
ранной конструкции, включающей помимо арочной крепи две разножесткие
полосы. Предполагается, что выработанное пространство, а также породный
слой, непосредственно прилегающий к арочной крепи заполнены обрушенной
породой.
Размеры расчетной области составляют: длина (по горизонтальной оси x ) –
45,7 м; высота (по вертикальной оси z ) – 26,0 м. Количество конечных элемен-
тов модели – 7 686, количество узлов – 7 893, количество степеней свободы –
около 15 000. Размеры конечного элемента в модели колеблются в пределах от
0,13×0,2 м до 0,5×0,5 м, что для модели таких размеров достаточно, чтобы схо-
димость решения и точность результатов были приемлемыми. В области выра-
ботки, ее крепления и охранных конструкций в виде литых полос сетка сгуще-
на, для того, чтобы концентрация напряжений была более четко выражена, чем
это возможно отразить в моделях с конечными элементами больших размеров.
Также сгущение сетки проведено в почве выработки, так как в имеющихся мо-
делях предполагается наблюдение за пучением почвы. Распределение конечных
элементов в пределах модели схематически представлено на рис. 2.
Рис. 2 – Распределение конечных элементов в пределах модели
После создания геометрии конечноэлементной модели на нее налагаются
граничные условия, которые наиболее адекватно отображают работу системы
«крепь штрека – литая полоса – породный массив». Верх модели нагружен рав-
номерно распределенной нагрузкой и свободен от запрета деформаций. На ле-
вой плоскости деформации запрещены; на правой плоскости – также запрет
деформаций, кроме слоя алевролита в кровле пласта, который остается свобод-
ным от граничных условий. На нижней плоскости модели запрещены дефор-
мации по горизонтальной и вертикальной осям.
"Геотехническая механика" 13
После постановки граничных условий модели были присвоены деформаци-
онные характеристики и плотность, которые задавались в соответствии с дан-
ными лабораторных исследований материалов и горных пород. Их физико-
механические свойства приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Физико-механические свойства материалов для модели
Предел
прочности
Порода или
материал
Плотность
ρ ·103, кг/м3
σсж., МПа σр, МПа
Модуль
упругости
Ест., ГПа
Коэффициент
Пуассона νст
Песчаник 2,5 60 7 16 0,15
Алевролит 2,6 45 5 12 0,24
Уголь 1,3 15 2 3, 5 0,29
Разрушенная порода 2,0 15 0 2 0,45
Дерево 0,9 40 15 2 0,2
Низкопрочная полоса 2,0 10 1 1 0,25
Высокопрочная полоса 2,2 20 2 2 0,25
Влажный алевролит 2,5 15 2 4 0,3
При задании деформационных свойств конечных элементов пластинчатого
типа, кроме статического модуля упругости, статического коэффициента Пуас-
сона и плотности, следует задавать толщину пластины, которая принята в дан-
ном исследовании равной ширине рамы крепления СВП-27, то есть 149,5 мм (в
модели – 150,0 мм). Таким образом, после задания модели деформационных
свойств получена карта жесткостей, соответствующих породам с учетом их со-
стояния и искусственным материалам.
Для границ слоев алевролита присвоено свойство проскальзывания, модели-
рующее поведение слоистого массива, который постепенно обламывается над
выработанным пространством Метод конечных элементов, как один из числен-
ных методов механики сплошной среды, оперирует понятием сплошности, то
есть образование трещин или пустот в ходе расчета континуальной модели за-
труднительно. Исследуя среды с трещиноватостью или пустотами, следует за-
давать эти неоднородности как геометрические тела, то есть в процессе стати-
ческого численного анализа их возникновение невозможно. Однако, в ходе ана-
лиза решения, полученного при расчете, можно однозначно выделить области
концентрации напряжений и путем сравнения величин компонент напряжений
или их эквивалентных величин, спрогнозировать некоторые параметры трещи-
нообразования, например, направление распространения трещины.
После операций по присвоению модели деформационных характеристик, к
ней прикладываются нагрузки в виде веса массива налегающих пород. Давле-
ние массива пород можно рассчитать по формуле Hγ=σ , где γ – объемный вес
налегающих пород, H – глубина заложения. Это давление прикладывается
равномерно к верхней границе модели.
Вся графическая информация комплекса для значений перемещений и ком-
понент напряжений приводится в виде изолиний и изополей. Изополе ограни-
чивается двумя изолиниями с граничными значениями параметра.
14 Выпуск № 78
При решении задачи задавалось 14 градаций для величин напряжений и де-
формаций. С учетом трудности представления результатов в первоначальной
форме для данной публикации был произведен специальный перерасчет с вы-
делением всего четырех градаций.
Распределение упругих горизонтальных деформаций вокруг выработки
представлено на рис. 3.
Границы изополей деформаций (мм):
Рис. 3 – Характер распределения горизонтальных деформаций
Необходимо обратить внимание, что кажущаяся значительная асимметрия
деформаций вокруг выработки обусловлена выбором начала системы коорди-
нат, удобным с точки зрения вычислительного процесса. Радиальные по отно-
шению к контуру выработки деформации с одинаковым модулем по разные
стороны вертикальной оси выработки имеют различные знаки и поэтому раз-
личным образом представлены на рис. 3. Тем не менее, даже в таком виде, кар-
тина распределения деформаций позволяет сделать некоторые выводы;
от -6,42 до – 3,12
от -3,12 до – 0,65
от -0,65 до 1,00
от 1,00 до 2,85
от 2,85 до 5,12
Z
X
"Геотехническая механика" 15
а) область интенсивных горизонтальных деформаций в массиве вокруг ох-
раняемой выработки вытянута в сторону выработанного пространства и в
меньшей степени – в сторону угольного целика;
б) в массиве, непосредственно над сводом выработки, горизонтальные де-
формации незначительны;
в) наблюдается чередование зон с различной величиной горизонтальной де-
формации в вертикальном направлении, как над выработанным пространством,
так и над симметрично расположенным относительно выработки участком;
г) в почве выработки горизонтальные деформации выявлены лишь в при-
контурном слое и быстро затухают по мере удаления от контура выработки.
Картина для вертикальных деформаций массива и крепи представлена на
рис. 4.
Границы изополей деформаций (мм):
Границы изополей деформаций (мм):
Рис. 4 – Характер распределения вертикальных деформаций
в пределах расчетной области
от -50,9 до – 40,0
от -40,0 до – 29,1
от -29,1 до -18,2
от -18,2 до -10,9
от -10,9 до 0
Z
X
16 Выпуск № 78
Анализ распределения вертикальных деформаций в соответствии с рис. 4
позволяет сделать следующие выводы:
а) наиболее значительные вертикальные деформации ожидаются над сводом
выработки (с учетом того, что выработанное пространство уже заполнено об-
рушенной породой);
б) над выработкой, на большом удалении от ее контура распределение де-
формаций практически симметрично по отношению к вертикальной оси выра-
ботки и приобретает асимметричный характер по мере приближения к неодно-
родностям в массиве;
в) ближняя зона в почве охраняемой выработки характеризуется резкой
асимметрией деформаций, а по мере удаления от контура выработки степень
асимметрии снижается;
г) наличие литой полосы приводит к уменьшению модуля вертикальных де-
формаций в почве пласта, непосредственно под полосой.
Совместный анализ рис. 3 и рис. 4 косвенно свидетельствует о наличии
асимметрии деформаций в массиве и на контуре выработки. Для более деталь-
ного представления о деформациях арочной крепи, как непосредственно на-
блюдаемой в выработке, был выполнен расчет суммарных деформаций с уче-
том их вектора и модуля. Ввиду относительной малости деформаций их на-
глядное отображение возможно только с искажением масштаба. При этом со-
храняется качественная картина ожидаемых деформаций и возможность сопос-
тавления с реально наблюдаемыми в шахтных условиях. Расчетное распределе-
ние деформаций по контуру выработки схематически представлено на рис. 5.
Рис. 5 – Схематическое распределение расчетных деформаций
арочной крепи
Со стороны
выработанного
пространства
"Геотехническая механика" 17
В соответствии с рис. 5 наибольшие деформации должны наблюдаться в
верхней части свода со стороны выработанного пространства. Такой характер
деформаций дает и физическое моделирование (в натурных условиях двойная
полоса еще не апробирована). Наблюдаемая при нагрузке на модель форма вы-
работки представлена на рис. 6.
Рис. 6 – Характер деформации контура выработки
по данным физического моделирования
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байсаров Л.В., Ильяшов М.А., Демченко А.И. Геомеханика и технология поддержания повторно исполь-
зуемых горных выработок. – Днепропетровск: ЧП «Лира ЛТД», 2005. – 240 с.
2. Временный технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных шахт литыми
полосами из твердеющих материалов. / Булат А.Ф., Ильяшов М.А., Усаченко Б.М., Байсаров Л.В. и др. – Днеп-
ропетровск: РИА «Днепр-VAL», 2004. – 33 с.
3. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластин. – Рига: Зинатне, 1988. – 284 с.
4. Основы метода конечных элементов. / Большаков В.И., Яценко Е.А., Соссу Г. и др. – Днепропетровск:
ПГАСиА, 2000. – 255 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31463 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:39:19Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кожушок, О.Д. 2012-03-09T11:54:46Z 2012-03-09T11:54:46Z 2008 Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве / О.Д. Кожушок // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 10-17. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31463 622.831 Наведено результати аналітичних досліджень деформацій штреку при зведенні подвійної литої смуги в відпрацьованому просторі. The results of analytical researches of deformations of a drift are given at building of a double cast strip in mined-out space. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве Mode of deformation in a marginal zone development gallery at building of a double cast strip in mined-out space Article published earlier |
| spellingShingle | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве Кожушок, О.Д. |
| title | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| title_alt | Mode of deformation in a marginal zone development gallery at building of a double cast strip in mined-out space |
| title_full | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| title_fullStr | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| title_full_unstemmed | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| title_short | Напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| title_sort | напряженно-деформированное состояние в приконтурной зоне подготовительной выработки при возведении двойной литой полосы в выработанном пространстве |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31463 |
| work_keys_str_mv | AT kožušokod naprâžennodeformirovannoesostoânievprikonturnoizonepodgotovitelʹnoivyrabotkiprivozvedeniidvoinoilitoipolosyvvyrabotannomprostranstve AT kožušokod modeofdeformationinamarginalzonedevelopmentgalleryatbuildingofadoublecaststripinminedoutspace |