авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Методика расчета напряженно-деформированного состояния неоднородного слоистого массива при отработке пологих угольных пластов

-- [ Страница 2 ] --

Основными геомеханическими проблемами при применении данной технологической схемы являются выбор ширины целика, оценка его удароопасности и расчет параметров анкерного крепления и крепи усиления для различных «этапов эксплуатации» участковых выработок. Схематически «этапы эксплуатации» подготовительных выработок при подготовке выемочных столбов двумя выработками приведены на рис. 1. Условно можно выделить следующие этапы: проведение выработок, время до подхода первой лавы, зона повышенного горного давления от выработанного пространства первой лавы, время до подхода второй лавы, зона опорного давления второй лавы.

 Общая схема для выделения характерных сечений для оценки НДС массива в-0

Рис. 1. Общая схема для выделения характерных сечений для оценки

НДС массива в течение эксплуатации участковых выработок

Оценка напряжений и перемещений, возникающих в МГП на всех этапах эксплуатации выработок, является основой для оценки состояния угольного пласта и кровли выработки и, соответственно, параметров ее крепления и способов охраны. Такую оценку можно получить только с помощью численных методов. В работе оценивались результаты применения различных программных пакетов по определению задач о НДС неоднородного слоистого массива. На основе анализа горно-геологических условий отработки пластов Ерунаковского месторождения была построена горно-геомеханическая модель исследуемого МГП, представленная на рис.2. Численное моделирование осуществлялось в рамках плоской деформации для «тяжелой» полуплоскости. В первой расчетной схеме моделировалось наличие свободного от обрушенных пород выработанного пространства.

 Горно-геомеханическая модель МГП На первом этапе была решена задача о степени-1

Рис. 2. Горно-геомеханическая модель МГП

На первом этапе была решена задача о степени влияния неоднородности (мощности слоев, их деформационных характеристик и контактных условий) на распределение напряжений в краевой части пласта и на уровне основной и непосредственной кровли (при различных пролетах зависающих слоев основной кровли).

На рис. 3. Представлены графические зависимости вертикальных напряжений (по кровле пласта, на уровне верхней границы основной кровли и на уровне верхней границы непосредственной кровли) в краевой части угольного пласта. Из представленных зависимостей следует, что основными факторами, определяющими напряженное состояние краевой части пласта и его кровли, являются пролет выработанного пространства и контактные условия на границе непосредственной и основной кровли. При этом уровни вертикальных напряжений остаются неизменными, а горизонтальные напряжения в характерных зонах существенно изменяются, переходя из области сжатия в область растяжения.

2. Моделирование геомеханических процессов обрушения МГП, подработанного длинными столбами, должно производиться с учетом оценки мощности обрушения и деформационных характеристик пород в выработанном пространстве, как функций коэффициента разрыхления обрушенных пород кровли.

Численные методы расчета НДС МГП не позволяют в полной мере моделировать процессы трещинообразования, разрушения и обрушения подработанных пород. Поэтому, для моделирования этапов обрушения пород в выработанное пространство и процессов оседания необходимо оценить геометрию обрушенного пространства, а так же деформационные свойства обрушенных пород. Для принятого при отработке пластов Ерунаковского месторождения способа управления горным давлением (УГД) в лавах – полным обрушением, в целом, можно констатировать, что обрушенные породы (непосредственной и основной кровли) могут «подбучивать» или «не подбучивать» вышележащие породы. Условие подбучивания при разрыхлении пород непосредственной кровли можно оценить из выполнения неравенства:

, (1)

где hнк – суммарная мощность обрушенных пород, м; m – вынимаемая мощность пласта, м; mс – величина предельного свободного опускания пород основной кровли: mс(0,10,4)m, м; – среднее значение разрыхляемости пород непосредственной кровли: kср1,151,3, достигая в некоторых случаях значения 1,45.

Для построения расчетных схем, отражающих процесс оседания подработанных пород, после определения высоты обрушения пород кровли до момента «подбучивания», необходимо определить высоту обрушения пород и оценить механические (деформационные) характеристики формируемого в выработанном пространстве материала. Последний представлен породами непосредственной и основной кровли. Коэффициенты разрыхления обрушаемых слоев кровли, соответстующие определенным литотипам горных пород, приняты равными для аргиллитов -1,4, алевролитов: 1,2-1,4; песчаников: 1,05-1,1.

На базе лаборатории ООО «ИК «КузНИУИ» были проведены исследования по определению деформационных характеристик разрыхленных пород при варьировании крупности кусков и исследовании различных литотипов пород (рис.4).

 Зависимость модуля деформации пород выработанного пространства от-6

Рис. 4. Зависимость модуля деформации пород выработанного пространства от действующих вертикальных напряжений (аргилит и алевролит различных фракций с коэффициентом разрыхления, равным 1,4)

Характерным этапом моделирования является момент подбучивания обрушенными породами вышележащих пород. Исходной информацией для таких расчетов являются сведения о геологическом строении кровли рассматриваемого пласта и на этой основе принимаются значения коэффициентов разрыхления. О подбучивании вышележащих пород свидетельствует выполнение неравенства:

. (2)

В этом случае моделирование обрушенных пород в выработанном пространстве осуществляется в виде слоев с определенными механическими характеристиками, пригруженных вышележащими слоями обрушенных пород. Взаимосвязь деформационных характеристик обрушенных пород от коэффициента разрыхления принята в виде полученных эмпирических зависимостей:

, (3)

На рис. 5 представлены зависимости вертикальных и горизонтальных напряжений (по пласту, по верхней границе основной кровли и по верхней границе непосредственной кровли) в краевой части угольного пласта на момент подбучивания вышележащих пород разрушенными породами кровли пласта. Как видно из представленных зависимостей, основным фактором, определяющим напряженное состояние краевой части пласта и его кровли на момент подбучивания вышележащих пород, является длина пролета выработанного пространства. Характер распределения напряжений в краевой части пласта полностью идентичен предыдущему распределению (отличие только в высоте выработанного пространства).

3. Моделирование процессов оседания подработанных пород кровли вплоть до поверхности должно учитывать изменчивость деформационных свойств ответственных элементов слоевого МГП как функций трещиноватости последнего, а также использовать нелинейные зависимости физического закона (пошагово) в характерных зонах с сопоставлением с данными маркшейдерских наблюдений.

На момент подбучивания обрушенными породами вышележащих слоев кровли опорное давление достигает максимума и оста­ется относительно выдержанным по мощности от почвы пласта до верхней границы обрушенных пород. На рис. 6 представлены вертикальные перемещения МГП на момент беспорядочного обрушения пород кровли пласта. Как видно, упругие деформации пласта и вмещающего массива незначительны, то есть процесс оседания пород налегающей толщи невозможно описать в рамках упругой модели без соответствующего изменения деформационных характеристик краевой части пласта, а также налегающих слоев кровли в краевой части мульды сдвижения.

На рис. 7 представлена схема оседания земной поверхности с указанием углов полных сдвижений и граничных углов.

Рис. 7. Схема элементов мульды сдвижения налегающей толщи и поверхности в приконтурных зонах массива

Полученные данные о распределении напряжений и деформаций служат основанием для оценки изменчивости модуля деформаций и коэффициента Пуассона в характерных зонах массива. Анализ указанных полей показал, что характерными зонами в МГП при выемке угольных пластов являются краевая часть пласта как по вертикальным напряжениям, так и по горизонтальным напряжениям, а также линии раздела слоев, отвечающие наименьшему сцеплению на контакте – по горизонтальным деформациям. Данные о полях напряжений и деформаций были пошагово использованы для расчета деформационных параметров характерных зон массива. Ширина зон с измененными деформационными свойствами массива принималась, исходя из геологического строения слоевой толщи и составляла от 5 до 15 м. Необходимые функциональные зависимости деформационных характеристик принимаются в виде

Е,|| = f(Е;Т); (4)

Е, =f1(Е;Т); Е||=f2(Е;Т),

где Е,, Е|| - модули деформации трещиноватого МГП в вертикальном и горизонтальном направлениях, соответственно; Е- модуль деформации по результатам лабораторных испытаний; Т- параметр, отражающий трещиноватость МГП, и являющийся функцией вида

Т=(n; ; ). (5)

Здесь n - количество систем трещин (функция напряжений и паспорта прочности); - комплексная геометрическая характеристика для i-й системы трещин; - угол i-й системы трещин с горизонтом.

На рис. 8 представлено поле вертикальных перемещений согласно расчетной схеме, отражающей сформировавшиеся зоны массива со сниженными деформационными характеристиками.

Как видно из представленного рисунка оседание, земной поверхности в пределах плоского дна мульды сдвижения соответствует мощности отрабатываемого пласта.

Таким образом, разработанная методика позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние МГП на различных стадиях эксплуатации выработок выемочного участка и оценивать удароопасность целиков угля и условия поддержания подготовительных выработок в течение всего срока их службы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается решение актуальной задачи разработки методики моделирования НДС слоистого массива горных пород при отработке угольных пластов высокопроизводительными очистными забоями с многоштрековой подготовкой выемочных столбов, имеющей существенное значение при подземной разработке пологих пластовых месторождений.

Основные научные и практические результаты:

1. Разработана горно-геомеханическая модель слоистого углевмещающего МГП для условий Ерунаковского месторождения.

2. На основе моделирования горно-геомеханических процессов установлены закономерности изменения параметров НДС слоистого углевмещающего массива, в частности, компонентов тензоров деформации и напряжения, а также вектора перемещений, техногенно нарушенного отработкой длинных столбов.

3. Установлена зависимость коэффициентов концентрации напряжений в краевых частях выемочных столбов (зависимость вертикальных напряжений) от длины лавы, строения и мощности непосредственной и основной кровли, контактных условий на границе раздела ответственных элементов массива.

4. Выявлено, что основными факторами, определяющими нагрузку на краевые части массива, являются величина пролета выработанного пространства (длина лавы) и степень подбучивания в выработанном пространстве вышележащих слоев обрушенными породами.

5. Установлен качественный характер распределения опорного давления в краевых частях МГП в зависимости от ширины охранного целика.

6. Разработана методика расчета высоты зоны беспорядочного обрушения горных пород изначения коэффициента разрыхления пород в выработанном пространстве и его взаимосвязь с деформационными характеристиками обрушенных пород, которые формируют «отпор» в выработанном пространстве лав при сдвижении подработанного МГП.

7. Разработана методика пошаговой оценки НДС МГП при отработке длинных столбов для характерных моментов: «до обрушения основной кровли», «до подбучивания» налегающих пород, «до образования плоского дна мульды сдвижения», на момент полных оседаний подработанной толщи.

8. На основе анализа динамики изменения НДС МГП для характерных этапов отработки столба получена методика расчета деформационных параметров ответственных элементов МГП от факторов действующих напряжений и деформаций.

9. Разработана методика моделирования НДС МГП в течение оседания всех подработанных слоев – от момента обрушения непосредственной кровли до полных оседаний земной поверхности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России:

  1. Мелешко А.В. Численные решения нелинейных краевых задач геомеханики/ А.П. Господариков, М.А.Зацепин, А.В.Мелешко // Записки Горного института. Т. 196. СПб., 2012. С.306-310
  2. Мелешко А.В. Оценка удароопасности междуштрековых целиков при отработке запасов угля шахты «Котинская// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск).-2012.-№3.-М.: издательство «Горная книга». С. 3-9.
  3. Мелешко А.В. Численное моделирование на основе метода конечных разностей некоторых прикладных задач геомеханики/ А.П. Господариков, М.А. Зацепин, А.В Мелешко //Записки Горного института. Т. 182. СПб. 2009. С. 238-240.
  4. Мелешко А.В. Совершенствование селективной выемки мощных калийных пластов при камерной системе разработки/ Ю.Г. Сиренко, А.В. Мелешко// Горный информационно-аналитический бюллетень, № 1, М., 2010. С. 386-389.

в прочих изданиях:

  1. Мелешко А.В. Оценка удароопасности междуштрековых целиков. В сб.: «Проблемы недропользования 2010». Материалы IV Всероссийской молодежной конференции, УрО РАН, Екатеринбург, 2010. С. 496-504.
  2. Мелешко А.В. Математическое моделирование прогноза напряженно-деформированного состояния пологозалегающего массива горных пород / А.П. Господариков, М.А. Зацепин, А.В Мелешко// 6-я Межрегиональная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера. Проблемы и решения», Воркута, 2008.- с. 174-178.
  3. Мелешко А.В. Об одном подходе математического моделирования важных геомеханических задач. В сб.: «Процессы управления и устойчивость». Труды XXXVIII Международной научной конференции аспирантов и студентов, СПб., 2008. С.181-186.
  4. Meleshko A. Modeling stress and strain state roofs and pillars for development bed deposits// Materialy XLVIII Sesji Pionu Gorniczego, Krakow, 6 grudnia 2007. Р. 62.

Рис. 3. Зависимость горизонтальных и вертикальных напряжений в краевой части массива при «зависании пород кровли» (sх1, sy1-по пласту, sх2, sy2-по непосредственной кровле, sх3, sy3-по основной кровле)

Рис. 5. Зависимость горизонтальных и вертикальных напряжений в краевой части массива после обрушения пород основной и непосредственной кровли (sх1, sy1-по пласту, sх2, sy2-по непосредственной кровле, sх3, sy3-по основной кровле)

 Поле распределения вертикальных перемещений V (максимальная величина опускания-13

Рис.6. Поле распределения вертикальных перемещений V (максимальная величина опускания  5 см по кровле и  3 см по поверхности)

 Поле распределения полных смещений (максимальная величина опускания  4 м по-14

Рис. 8. Поле распределения полных смещений

(максимальная величина опускания  4 м по поверхности)



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.