Управление состоянием массива горных пород вокруг очистного забоя

Силикозоопасность. Все вмещающие породы Карагандинской свиты следует отнести к силикозоопасным.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДАТЛИВОСТИ ОЖДАЕМЫХ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ И КАПЕТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

 

2.1 Расчет напряженно-деформированного  состояния вязко-упруго-пластического  массива горных пород вокруг  протяженной горизонтальной выработки

 
Изучение вопросов распределения напряжений вокруг выработок является одной из основных и важнейших задач механики горных пород, так как они непосредственно связаны с прочностью (устойчивостью) горных выработок и с решением ряда практических инженерных задач в области их крепления.

При решении задач по определению напряжений вокруг выработок часто удобнее пользоваться полярными координатами. Если считать, что массив находится в сжатом состоянии и сжимающие напряжения считаются положительными, то определяющие компоненты напряжении вокруг выработки круглой формы будут иметь следующий вид [1,2]:

 

; ; (1)

,

где   и  ;  - коэффициент бокового распора (давления),  - радиус выработки в проходке, м; Н – глубина от поверхности;  - угол между осью Х и направлением радиального напряжения;  - средний вес пород покрывающей толщи;  , , - соответственно радиальные, тангенциальные и касательные напряжения.

 

 =   = 0,563

 = 0,219   = 0,781

 
Если напряженное состояние ненарушенного массива гидростатическое, т.е.  , то на контуре круглой выработки   окружающее напряжение будет постоянным и равным:

 

; (2)

Смещения контура выработки (при  ):

 

, (4)

где Е – модуль упругости;  - коэффициент Пуассона.

В массиве в окрестности выработки возникает область деформации растяжения  :

, (6)

 

 
Координату границы зоны растяжения   получаем из условия  . Подставляя значения напряжений, получаем окончательно следующее решение уравнения (6):

при  ,  :

 

, (7) 

где  ;  ;  ;

при   и  :

, (8)

Конфигурацию зоны деформации растяжения можно установить, определяя координаты   для лучей 0,300,600 и 900. 

Смещения контура выработки со временем определяются с помощью метода переменных модулей, сущность которого заключается в замене упругих констант в решении упругой задачи переменными модулями. При наследственной ползучести с ядром типа Абеля переменные модули имеют вид:

 

,  ,   (9)

 = 0,31*104 МПа;

 = 0,466;

 = 1,9

 

Вертикальные смещения кровли выработки:

 

 (10)

 = 0,012429 м.

 
Определение податливости крепи

 

Податливость крепи выработки   должна выбираться с учетом возможных смещений контура, которые развиваются вследствие деформации ползучести и разрыхления пород.

В последнем случае вследствие разрыхления пород происходят дополнительные смещения контура из-за увеличения объема при растрескивании. Величина смещения определяется из выражения:

 

, (11)

 
где  -коэффициент разрыхления;  - радиус пластичности.

, (12) 

где    ,

- предел прочности на одноосное  сжатие;  - угол внутреннего трения породы;  - сцепление. 

 =   = 1,37;

 =   = 5,79;

 = 3,3 м;

 = 0,011 м,

 
Уменьшение высоты выработки вследствие ползучести определяется выражением   (10), а вследствие разрыхления -  (11).

Таким образом податливость крепи:

, (13)

   2,5 м.

 
2.3 Расчет нагрузки на крепь

 
В результате систематизации данных о взаимодействии крепи и массива горных пород разработаны следующие основные расчетные схемы режимов ее работы:

Режим заданной нагрузки;

Режим заданной деформации;

Режим взаимовлияющей деформации;

Комбинированный режим.

Тот или иной режим работы крепи обусловлен конкретными горнотехническими условиями. Если крепь работает в режиме заданной нагрузки, то давление на нее определяется весом отделившихся от массива объемов породы.

Горные породы в окрестности выработки могут быть разрушены в пределах зоны деформации растяжения или пластичности.

Среднее значение координаты границы зоны растяжения:

 

, (14)

 

где  - координаты границы зоны растяжения для лучей 0,300,600 и 900.

Среднее значение радиуса пластической области определяется выражением (12). Расчет следует вести по большему из значений координат (14) или (12).

 

 = 5,83 м;

 

При расстоянии между рамами крепи L давление Q на одну раму составит:

, (15)

где S – площадь области разрушения пород в кровле выработки.

В расчете можно принять  ,

 

 = 5,48 м2; 

где  - среднее значение  из (14) или   из (12). 

= 2,74 Па;

, (16)

 

где Р- неизвестное давление не крепь. 

,

 = 1,02 мПа;

 

Радиальные смещения на контуре в данном случае определяются выражением:

, (17)

т.е. зависят от упругих (

состоянием массива" width="20" height="21" align="BOTTOM" border="0" />- модуль сдвига) и прочностных ( ) параметров, глубин расположения выработки и величины пластической зоны:

 

 ,

 = 0,32*104;

= 62,14*10-4 = 0,006214 м;

 

Исключая из этих уравнений  , можно получить зависимость между неизвестной реакцией крепи Р- и ее смещением U. Давление на крепь вычисляется из условия совместимости перемещений контура выработки и крепи. Так, например если известны механические характеристики крепи (нарастающего или постоянного сопротивления), то рассматривая их совместно с кривой поведения массива, в точке пересечения можно определить оптимальные параметры работы крепи (Р и U).

Комбинированный режим нагружения возникает тогда, когда вокруг выработки могут образоваться зоны, в пределах которых породы отделены от массива, разбиты крупными и микротрещинами. Далее массив деформирован упруго. Отделившиеся от массива породы создают давление на крепь как заданная нагрузка, зоны растрескивания - как взаимовлияющая деформация.

3. УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

 
3.1 Напряженно-деформированное состояние  угольного пласта и вмещающих  пород

 
Практикой эксплуатации очистных забоев, особенно с механизированными крепями в условиях высоких нагрузок и скоростей подвигания, выявлено, что геологические и горнотехнические параметры в разной степени влияют на состояние поддерживаемого пространства, условия безопасности, на конечный результат всей работы очистных забоев.

Значительные трудности возникают при отработке пластов в сложных горно-геологических условиях, например, при труднообрушаемой кровли. Повышения эффективности работы в этих условиях во многом зависит, как показывает опыт, от способа управления состоянием пород кровли. Положительный эффект создает, в частности, формирование напряжений в массиве, обеспечивающих разрушение кровли за поддерживаемым рабочим пространством лавы.

Постановка и решение задач механики горных пород для очистных забоев отличается значительной сложностью. По сравнению с капитальными и подготовительными выработками, здесь влияние структуры массива (неоднородность, условия на контактах и т.п.) проявляется в большей степени, больше скорость? и абсолютные значения смещении горных пород.

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние массива в окрестности очистного забоя.

Вертикальный разрез массива горных пород с очистной выработкой на большом расстоянии от вентиляционного и откаточного штреков представлен как невесомая плоскость с вырезом, соответствующим форме профиля поперечного сечения очистного забоя и выработанного пространства. Деформацией вдоль забоя можно пренебречь и задачу свести к плоской.

Закономерности напряженно-деформированного состояния в окрестности очистного забоя определяются путем математического моделирования (вычислительного эксперимента) геомеханической ситуации (обстановки). Решение задачи проводится методом конечных элементов [3,4,7].

Математическая модель системы (расчетная схема, рис. 2.1) представляет собой сечение исследуемой области массива с очистным забоем. В забое установлена механизированная крепь поддерживающего типа. На почве пласта - обрушенные породы, которые взаимодействуют с кровлей на некотором удалении от забоя. Конфигурация кровли обрушенного пространства должна выбираться по данным фактических наблюдений.

Граничные условия задачи формулируются как сжимающие напряжения на бесконечности:

 

,  ,   (2.1)

 = 14,21;

 = 9,947;

Рисунок 1. Расчетная схема к задаче определения НДС вокруг очистного забоя: 1 – породы почвы, 2 – угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы основной кровли, 5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.

Конечно-элементная аппроксимация области (с треугольными элементами) показана на рис. 4.5. Сетка элементов неравномерная.

 

 

Рисунок 2. Сетка конечных элементов: 1 – породы почвы, 2 – угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы основной кровли, 5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.

Вблизи забоя (у мест большой концентрации напряжений) она более частая, с удалением от забоя (и уменьшением концентрации напряжений) размеры элементов увеличивается.

Программой предусматривается разбиение расчетной области на 1100 элементов при 600 узлах. Область на контуре нагружена вертикальными напряжениями  , боковыми напряжениями  .

При расчете для каждого элемента определяются горизонтальные и вертикальные перемещения. Расчеты производятся как в упругой постановке , так и с учетом вязко-упругого деформирования и разрушения элементов массива за период полного технологического цикла, т.е. выемка очередной стружки угля и разгрузка крепи для передвижки.

По результатам расчетов строятся диаграммы напряжений и перемещений в массиве в окрестности механизированного комплекса (забоя). Методика расчета зон предельно-напряженного состояния массива горных пород очистного забоя более подробно описывается в работах [3,4].

3.2 Расчет параметров управления  труднообрушающимися кровлями в очистных выработках

К труднообрушающимся относятся кровли, осадки которых в призабойном пространстве происходят при разрушении по линии забоя зависающих на значительных площадях прочих слоев пород основной кровли.

При труднообрушающихся кровлях наблюдается существенное отличие в формировании проявлений горного давления и взаимодействии крепей с вмещающими породами по сравнению с обычными кровлями.

В периоды между осадками состояния кровли и угольного пласта характеризуется повышенной напряженностью, связанной с зависанием труднообрушающихся пород. В зоне опорного давления максимальные вертикальные сжимающие напряжения достигают (3,0ё3,5)   перед первой осадкой и (2,0ё2,5)   перед последующими осадками кровли. Над призабойным пространством имеют место значительные горизонтальные растягивающие напряжения.

При достижений предельных размеров зависаний труднообрушающихся слоев пород происходит осадка кровли, что приводит к снижению напряжений в зоне опорного давления и над призабойным пространством. Резко повышаются величина и скорость смещений кровли, а также нагрузка на крепь, особенно со стороны выработонного пространства.

Труднообрушающимися кровлями можно управлять различными способами: принудительным первичным обрушением, передовым торпедированием, гидрообработкой кровли [8,2,9], а также путем повышения сопротивления кровли.

3.2.1 Расчет деформаций  основной кровли

Деформация основной и непосредственной кровли характеризуются двумя режимами: начального (от проведения разрезной печи до первого обрушения) и установившегося движения (периодическое обрушение по мере подвигания очистного забоя).

Для описания начального движения основной кровли можно воспользоваться моделью прямоугольной плиты, защемленной со всех сторон и лежащей на упругом основании [6]. Во втором случае можно рассмотреть плиту на упругом основании, защемленную с трех сторон и свободную со стороны выработанного пространства. Нагрузка на плиту зависит от конкретных горно-геологических условий. Это может быть вес (или часть веса) покрывающих пород.

На породы кровли действует также и боковое сжатие. Поэтому рассматривается продольно-поперечный изгиб пластинки. для простоты можно пренебречь влиянием упругого основания.

Плоской пластинкой (или тонкой плитой) называется упругое тело призматической или цилиндрической формы с малой, по сравнению с размерами основания, высотой.

Пределы применимости теории:

,  , (2.2)

где h- толщина пластинки; а- наименьший размер основания; Wmax- максимальный прогиб.

3.2.2 Расчет напряженно-деформированного  состояния кровли до первой  осадки труднообрушающихся пород

Аналитические исследования показали, что при отходе очистного забоя от разрезной выработки в кровле над выработанным пространством образуется зона растягивающих напряжений σу в форме свода (рис. 2.3). 

 

Напряжения внутри зоны возрастает к ее центру. Максимальные значения напряжений возникают над серединой выработанного пространства на расстоянии, равном половине высоты зоны растяжений hp.

На величины σу и hp в основном влияют глубина разработки „Н” и расстояние от целика до очистного забоя Lп.

 

 

Напряжения σу над серединой выработанного пространства рассчитываются по формуле:

 

, (2.3)

 
где γ - удельный вес пород, тс/м3.

Высота зоны растяжений hp определяется из уравнения: 

, (2.4)

Кровля в выработанном пространстве расслаивается по межслоевым контактам по напластаванию при условии:

, (2.5)

где  - предел прочности межслоевых контактов на отрыв, тс/м2.

Предельные размеры пролетов, при которых произойдет первое обрушение труднообрушающихся пород кровли, рассчитываются с помощью уравнений (табл. 2), полученных путем статистической обработки экспериментальных данных о первом шаге обрушения L0' – в зависимости от влияющих факторов: мощности h0 и коэффициента крепости ƒ0 – пород основной кровли, мощности пласта m, мощности hн и коэффициента крепости ƒн непосредственной кровли, глубины разработки Н, длины лавы Lл.