Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость горных выработок при подземной разработке угольных месторождений 13
1.1 Анализ устойчивости горных выработок угольных шахт 13
1.2 Результаты и направления исследований влияния природных и техногенных поверхностей ослабления горного массива на параметры напряженно-деформированного состояния 19
1.3 Анализ алгоритмов прогнозирования напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности подземных горных выработок 24
1.4 Цель, задачи и актуальность исследования 27
2 Методика и программа лабораторных и численных исследований распределения деформаций и напряжений в окрестности подготовительных выработок в слоистом углепородном массиве 29
2.1 Программа исследований распределения напряженно-деформированного состояния в окрестности подготовительных выработок в слоистом углепородном массиве 29
2.2 Методика тарировки лабораторной установки и оценка точности метода фотофиксации с помощью цифровой камеры и персонального компьютера 31
2.2.1 Методика тарировки лабораторной установки 31
2.2.2 Оценка точности метода фотофиксации с помощью цифровой камеры и персонального компьютера 38
2.3 Методика физического моделирования процессов дезинтеграции породных массивов в окрестности выработок 45
2.3.1 Методика изготовления физической модели объекта исследований 45
2.3.2 Разработка методики исследования смещений поверхности физической модели из эквивалентного материала с использованием метода фотофиксации 50
2.3.3 Оценка адекватности расчетных параметров напряженно-деформированного состояния измеренным 53
2.4 Численные исследования распределения смещений и напряжений в модели слоистого массива из эквивалентного материала в окрестности подготовительной горной выработки 56
2.5 Выводы 64
3 Исследование закономерностей распределения деформаций и напряжений в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления 66
3.1 Методика исследования закономерностей распределения НДС в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления 66
3.2 Закономерности распределения деформаций и напряжений в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления 77
3.2.1 Исследование влияния глубины залегания породных слоев на распределение напряжений и деформаций в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления. 78
3.2.2 Исследование влияния угла падения слоев на распределение напряжений и деформаций в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления 84
3.2.3 Исследование влияния предела прочности пород в искусственных породных слоях на распределение напряжений и деформаций в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными по верхностями ослабления 90
3.2.4 Исследование влияния толщины мягкого слоя на распределе ние напряжений и деформаций в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления 95
3.3 Выводы 98
4 Исследование закономерностей распределения деформаций и напряжений в углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления в окрестности одиночной горной выработки 99
4.1 Закономерности распределения деформаций и напряжений в угле породном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления, в зоне влияния одиночной горной выработки 99
4.1.1 Исследование влияния глубины залегания породных слоев на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки 113
4.1.2 Исследование влияния угла падения слоев на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки 123
4.1.3 Исследование влияния предела прочности мягких породных слоев на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки 133
4.1.4 Исследование влияния ширины горной выработки на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки 143
4.2 Выводы 152
5 Исследование напряженно-деформированного состояния слоистого неоднородного углепородного массива, осложненного природными поверхностями ослабления в зоне совместного влияния подготовительных и очистных выработок 154
5.1 Исследование закономерностей распределения деформаций и напряжений в слоистом неоднородном углепородном массиве в зоне влияния подготовительной выработки 154
5.2 Исследование закономерностей распределения деформаций и напряжений в слоистом неоднородном углепородном массиве в зоне совместного влияния подготовительных и очистных выработок 165
5.3 Разработка рекомендаций по геомеханическому обеспечению устойчивости подземных горных выработок в слоистом неоднородном углепородном массиве 188
5.4 Выводы 194
Заключение 195
Литература 198
Приложения 215
- Анализ алгоритмов прогнозирования напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности подземных горных выработок
- Методика тарировки лабораторной установки и оценка точности метода фотофиксации с помощью цифровой камеры и персонального компьютера
- Закономерности распределения деформаций и напряжений в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления
- Исследование влияния ширины горной выработки на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки
Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние технологии подземной угледобычи характеризуется увеличением пиковых нагрузок на очистной комплексно - механизированный забой и неравномерностью его подвигания, обусловленными внезапными обрушениями пород кровли на сопряжениях очистного забоя и выемочных выработок, снижением несущей способности крепи, в том числе вследствие разрушения рамной крепи, выпадания или срыва гаек анкеров, отжима породных слоев и угольных пачек на боках подготовительных выработок.
Существующие методические указания и руководства не обеспечивают необходимую для практики надежность прогноза этих явлений. Одной из причин несоответствия прогнозируемых и фактических параметров является представление слоистого углепородного массива в методических указаниях в виде модели сплошной среды, то есть без учета анизотропии, неоднородности и наличия ослабленных контактов между соседними слоями.
Известные способы и средства управления состоянием слоистого углепородного массива, ослабленного по контактам между слоями, пока не применяются на практике, так как отсутствуют представительные результаты исследования процессов деформирования слоистого углепородного массива, необходимые для разработки методических рекомендаций для составления паспортов крепления подготовительных выработок. Известные научные разработки в основном посвящены процессу деформирования неоднородных искусственных материалов на микро-, макро- и мезо-уровнях, и весьма ограничены исследования, направленные на установление закономерностей в слоистых углепородных массивах, что подтверждается недостаточной надежностью эффективных способов и средств управления устойчивостью горных выработок угольных шахт.
Таким образом, актуальной научно-практической задачей является геомеханическое обеспечение устойчивости подземных подготовительных выработок в слоистом неоднородном углепородном массиве с учетом влияния ОС-
7 лабленных контактов между соседними слоями углепородного массива и разных деформационных свойств пород соседних слоев.
Работа выполнена в рамках:
Федеральной целевой программы «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Алтае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии». Государственный контракт № Э0123, № ГР 01200302559; Государственного контракта № 38-6, заказ-наряд № 12 - «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объемного напряженного состояния при комплексном воздействии на горный массив механических инденторов и гидравлических струй», № ГР 01200117892; Работа выполнена по тематическому плану НИР СибГИУ по заданию Минобразования РФ: «Разработка теории миграции флюидов в неоднородном массиве под влиянием переменных механических напряжений и температуры», № ГР 012 00409401.
Целью работы является геомеханическое обеспечение устойчивости подземных подготовительных выработок в слоистом неоднородном углепородном массиве на основе установленных закономерностей неравномерного смещения соседних породных слоев по контактам и распределения напряжений и деформаций в породных слоях.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей периодичности количественного распределения в неоднородном углепородном массиве напряжений и деформаций по мощности породных слоев и на их контактах для определения нагрузки на крепь подготовительных выработок шахт.
Задачи исследований:
- разработать методику и программу лабораторных и численных исследований распределения деформаций и напряжений в слоистом углепородном массиве в окрестности подземных подготовительных выработок;
установить закономерности распределения деформаций и напряжений в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления;
изучить влияние поверхностей ослабления на распределение деформаций и напряжений в углепородном массиве в окрестности одиночной горной выработки;
-установить закономерности распределения деформаций и напряжений в неоднородном углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления в зоне совместного влияния подготовительных и очистных выработок;
- разработать рекомендации по геомеханическому обеспечению устойчи
вости подземных горных выработок в слоистом неоднородном углепородном
массиве.
Методы исследований: физическое моделирование процессов деформирования слоистых образцов; фотофиксации с использованием цифровой камеры для визуализации результатов и измерения смещений на мониторе персонального компьютера; конечных элементов для расчета параметров напряженно-деформированного состояния; визуализация и экспертная оценка с использованием пакетов компьютерных программ.
Научные положения, выносимые на защиту:
адекватность распределения смещений, измеренных на физической модели слоистого массива и вычисленных методом конечных элементов для этой модели, обеспечивается включением в физическую и математическую модели жестких и мягких слоев при отношении их прочности в пределах 3-200 и использованием в математической модели модуля упругости и коэффициента Пуассона эквивалентного материала, определяемых при изгибе балок;
амплитуда графиков периодического распределения напряжений и деформаций в нетронутом слоистом углепородном массиве возрастает с увеличением угла падения и глубины залегания пород, уменьшением предела прочности мягкого слоя;
- влияние ослабленных контактов в углепородном массиве в окрестности
подготовительной горной выработки проявляется в виде сдвига мягких слоев
относительно жестких, изгиба и среза анкерных болтов в породах кровли;
-отношение вертикальных напряжений в слоистом неоднородном массиве к напряжениям в сплошном массиве в боках выработки в угольном целике между очистным выработанным пространством и подготовительной выработкой возрастает с интенсивностью 0,025 м"1 при увеличении ширины целика от 4 до 20м.
Научная новизна работы состоит в:
развитии метода измерения смещений на поверхности физической модели из эквивалентных материалов посредством фотографирования цифровой камерой с компьютерной обработкой снимков с помощью программы AutoCAD, визуализацией и измерением результатов на мониторе персонального компьютера;
ранжировании горно-геологических и горнотехнических факторов: угла падения, предела прочности и глубины залегания жестких и мягких слоев по степени влияния на неравномерность распределения напряжений и деформаций в нетронутом слоистом углепородном массиве;
установлении закономерностей периодического изменения разности напряжений и деформаций в жестких и мягких слоях углепородного массива в окрестности одиночной подготовительной выработки;
- установлении закономерностей увеличения в сплошном массиве по
сравнению со слоистым массивом распределения напряжений и деформаций в
окрестности подготовительной выработки, охраняемой межучастковым лен
точным угольным целиком шириной в пределах 4-20м.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
-соответствием смещений марок, установленных на поверхности физической модели и вычисленных методом конечных элементов, отклонения - 4-17%;
-совпадением вычисленных вертикальных напряжений для сплошного нетронутого массива горных пород, и с включением мягких слоев с вертикальными напряжениями гравитационного поля напряжений по Диннику;
-соответствием форм и графиков вычисленных смещений соседних породных слоев по поверхностям ослабления амплитудам S-образного изгиба металлических стержней анкеров в натурных условиях;
- достаточным объемом лабораторных и численных экспериментов, ис
пытано 18 вариантов физической модели, проведено исследование 560 вариан
тов расчетных схем при изменении влияющих параметров в пределах: глубина
разработки 300-700 м, ширина горной выработки 3-7 м, предел прочности по
род в поверхностях ослабления 0,2-38 МПа, угол падения поверхностей ослаб
ления 0-40 , толщина искусственных поверхностей ослабления (мягких слоев)
0,025-1 м, ширина угольного целика 4 - 20м.
Личный вклад автора состоит в:
развитии метода фотофиксации, заключающегося в измерении смещений на поверхности физической модели посредством фотографирования цифровой камерой и компьютерной обработки полученных оптических изображений эквивалентных образцов в реальном масштабе времени с точностью до 0,1 мм;
установлении закономерностей периодического распределения напряжений и деформаций в нетронутом слоистом углепородном массиве по мощности породных жестких и мягких слоев;
установлении влияния поверхностей ослабления в слоистом углепородном массиве на характер распределения смещений угля и пород в окрестности подготовительной горной выработки: выдавливание слабых слоев в выработку и армирование углепородного массива жесткими слоями;
установлении закономерностей влияния очистного выработанного пространства на устойчивость подготовительной выработки и межучасткового ленточного угольного целика в слоистом неоднородном углепородном массиве при изменении ширины целика в пределах 4-20 м;
- разработке рекомендаций для геомеханического обеспечения устойчи
вости подземных горных выработок в слоистом неоднородном углепородном
массиве: определение высоты свода обрушения в слоистом неоднородном уг
лепородном массиве и нагрузки на крепь.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей периодического распределения параметров НДС в слоистом неоднородном углепородном массиве в окрестности выработки для геомеханического обеспечения их устойчивости.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
изучать методом физического и численного моделирования закономерности распределения деформаций и напряжений в слоистом углепородном массиве в окрестности выработок с использованием разработанной методики фотофиксации с компьютерной обработкой;
устанавливать по разработанной методике расчета геомеханических параметров слоистого неоднородного углепородного массива в окрестности выработок угольных шахт параметры анкерной крепи в паспортах выемочных участков и проектах;
- использовать результаты исследований при изучении дисциплины
«Геомеханика» студентами вузов.
Реализация работы. Результаты работы, оформленные в виде методики расчета геомеханических параметров слоистого неоднородного углепородного массива в окрестности подготовительных горных выработок были представлены на конкурс на лучший экспонат, проводимый в рамках XIII Международной выставки «Уголь России и майнинг 2006» и награждены серебряной медалью, а так же переданы участникам выставки для применения на шахтах Кузбасса. Научные результаты и практические рекомендации использованы в отделе технологии крепления выработок ОАО ОУК «Южкузбассуголь», а так же в учебном процессе ГОУ ВПО Сибирского государственного индустриального уни-
12 верситета при изучении дисциплин специальности 130400 - «Горное направление».
Апробация работы. Основные выводы и результаты диссертации докладывались и получили одобрение на: Международных научно-практических конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г.Новокузнецк, 2000,2004,2005гг.); «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г.Новокузнецк, 2000г.); «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г.Новокузнецк, 2005,2006гг.); Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых СибГИУ: «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения (г.Новокузнецк, 2002г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, изложенных на 197 страницах машинописного текста. Включает 150 рисунков и 9 таблиц, список литературных источников из 157 наименований, приложения.
Анализ алгоритмов прогнозирования напряженно-деформированного состояния углепородного массива в окрестности подземных горных выработок
Определение влияния естественных поверхностей ослабления массива по породным контактам осуществляется, как правило, на основе анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива, осложненного природными поверхностями ослабления. В этой связи заслуживают внимания научные исследования, направленные на оценку НДС слоистого углепородного массива. Для определения НДС применяют следующие методы исследования: экспериментальные (натурные и лабораторные), аналитические, экспериментально-аналитические, и численные. Лабораторные методы позволяют изучить механические и деформационные свойства пород с использованием специальных прессов, стабилометров, геофизических приборов и другое. Эти методы основаны на законах кинематического и динамического подобия процессов, происходящих в массиве горных пород и модели, и позволяют воспроизводить многообразие натурных условий. К ним относятся методы физического моделирования: эквивалентных материалов, поляризационно-оптический, фотоупругости, структурных моделей, электроаналогий и др. Однако недостатками физического моделирования являются: не полное соответствие физико-механических свойств и условий эксперимента реальным условиям, невозможность учесть некоторые горно-геологические и горнотехнические факторы [3,6,16,42,62,101,125,128]. Натурными методами исследования изучаются свойства пород непосредственно в массиве и, в отличие от лабораторных, дают наиболее достоверную картину о состоянии массива в конкретной горно-технической обстановке. Данные методы основаны на взаимосвязи параметров массива пород с технологическими параметрами и процессами.
Недостатками экспериментальных методов исследования НДС в горных породах являются: необходимость проведения измерительных скважин, сложность получения не нарушенных образцов пород, сложность процесса измерения и то, что все натурные исследования имеют региональный характер, то есть эти данные адекватны только для конкретных условий и практически не применимы в других горно-геологических и горнотехнических условиях [10,17Д8а5 і#$еЬій методы имеют определенные преимущества перед лабораторными и натурными методами, так как обладают наибольшей общностью при описании механических процессов и позволяют количественно прогнозировать геомеханические процессы. К аналитическим методам относятся: механики твердых деформируемых тел (теории упругости, теории пластичности, теории ползучести, предельного равновесия и др.), механики сыпучих, вязких и жидких тел, строительной механики, механики дискретной среды (при исследовании раздельно-блочных породных массивов), вероятностно-статистические методы.
Основным недостатком аналитических методов при их довольно высокой точности, является ограничение области применения для решения, в основном, осесимметричных конструкций (выработок правильной формы, располагаемых в однородной среде) [3,17,20,105,106,115,117,126]. Комплексное использование лабораторных, натурных и аналитических методов исследования является наиболее эффективным. Это позволяет существенно повысить достоверность состояния той или иной горнотехнической обстановки и наиболее обоснованно подходить к принятию практических решений. Такой подход называют экспериментально-аналитическим методом исследования НДС горного массива [3,10,126]. Современными методами решения дифференциальных уравнений механики горных пород, в связи с развитием вычислительной техники, становятся численные методы исследования (конечных разностей, конечных элементов, граничных интегральных уравнений и др.) [122,109]. Наиболее совершенным является метод конечных элементов (МКЭ). В настоящее время его успешно применяют как в зарубежной, так и в отечественной практике. Сущность МКЭ заключается в численном решении систем дифференциальных уравнений теории упругости, применяемых в механике горных пород. Для этого бесконечная исследуемая область разделяется на множество конечных элементов, то есть непрерывная функция апроксимируется множеством кусочно-непрерывных функций [44,65,89,109,110,122,131]. Наибольшее распространение метод конечных элементов получил при рассмотрении двумерных задач теории упругости. При этом, как правило, применяется треугольный симплекс - элемент с шестью компонентами узловых перемещений. Объемные силы распределяются одинаково между тремя узлами элемента. Поверхностные нагрузки прилагаются к трем узлам симплекс - элемента также поровну. Для определения неизвестных перемещений в узлах системы элементов минимизируется интегральная величина, связанная с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки. Так как, задача решается в перемещениях, и на границе задаются их значения, то минимизируется потенциальная энергия системы треугольных элементов. После определения перемещений вычисляются напряжения и деформации.
Методика тарировки лабораторной установки и оценка точности метода фотофиксации с помощью цифровой камеры и персонального компьютера
Одной из нерешенных задач физического моделирования является отсутствие современной компьютерной методики измерения смещений точек на поверхности физической модели. Поэтому на первом этапе исследований разработана такая методика, сущность которой состоит в следующем. Разработан лабораторный стенд для физического моделирования на эквивалентных материалах процессов формирования зон дезинтеграции и деформирования эквивалентного материала в этих зонах под влиянием горных выработок с различными формами и размерами их поперечных сечений. Испытания образцов из эквивалентного материала на сжатие выполнялись с помощью прибора БП34.000 ГОСТ 15150-69 и машины ИК - 500.01, технические характеристики которых представлены в таблицах 2.2 и 2.3. Стенд для физического моделирования №1 (рисунок 2.1) состоит из скобы (1), вмонтированного в нее гидроцилиндра (7) с удлинителем (5). Измерение нагрузки производится манометром (6), изменяется нагрузка с помощью рукоятки (9). Для фиксации начала смещения одной части модели относительно другой прибор снабжен индикаторным устройством (10). По показаниям манометра (6) ведется отсчет осевого усилия, прикладываемого к торцам кубика из эквивалентного материала (3) через стаканы (2) и шарик (4). На кубике (3) и неподвижной скобе (1) наклеены марки для фотографирования их на различных этапах деформации образца. Порядок работы лабораторного стенда следующий: для того чтобы создать осевое усилие прибором БП34.000 необходимо - ввернуть удлинитель (5) в гидроцилиндр (7) до отказа, затем установить в скобе (1) стакан (2) и уложить подлежащий испытанию образец (3) между стаканом (2). Вывернуть удлинитель (5) до касания стакана с шариком (4) и создать осевое усилие, вращая рукоятку (9) по часовой стрелке.
Показания усилия прибором БП34.000 снимаются по манометру (6), а смещения одной части модели относительно другой фиксируются по индикатору (10). Стенд №2 для физического моделирования представлен на рисунке 2.2. Машина испытательная универсальная ИК - 500.01 соответствует утвержденному типу «Машины для испытания материалов на усталость ИК» и предназначена для статических и малоцикловых испытаний образцов при нормальной температуре (от +15 С до +35 С) в соответствии с требованиями ГОСТ 10006, ГОСТ 8695, ГОСТ 1497, ГОСТ 11701, ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.503. Порядок работы лабораторного стенда №2 (на машине ИК -500) следующий: с помощью мыши выбираем и нажимаем на программу «Управление машиной» (ярлык К - 500). На мониторе появляется вид главного окна «Измерение + Управление», рисунок 2.3. Выбираем в меню Испытание для запуска кнопку «Пуск», после чего включается установка насосная (рисунок 2.4). В параметре «управление» выбираем режим К (К - управление по комбинированной обратной связи) и производим обнуление нагрузки. В данном режиме производим установку образца в устройство нагружающее. На образце установлен датчик деформации ДДР - 1 - 50.5 - 1. X - Б № 042, от которого сигнал деформации поступает в блок БУ - 13. С помощью дистанционного пульта управле- ния зажимаем образец. На мониторе в окне «параметр управления» выбираем управление по нагрузке (Р), где выбираем линейный закон нагружения для установки нагрузки и скорости нагружения. Рисунок 2.2 - Стенд №2 для физического моделирования: а) устройство нагружающее машины ИК-500; б) исходный образец из эквивалентного материала; в) схема передачи информации от физической модели пользователю с помощью машины ИК-500
Обнуляем малые перемещения. Заходим в меню «Настойка» выбираем «накопление по параметру» и в меню «графопостроитель» выбираем по оси X Существующие методы измерения деформаций образцов горных пород основаны на применении тензометрических, оптических и емкостных датчиков. Основным недостатком этих методов является получение информации только в отдельных точках испытываемого образца. Эти методы не применяются при использовании образцов неправильной формы. С использованием этих методов невозможно провести исследования влияния неоднородности образцов на их свойства. Кроме того, для установки измерительной аппаратуры необходимо провести подготовительные работы по наклейке и тарировке датчиков, настройке регистрирующей аппаратуры и так далее.
Закономерности распределения деформаций и напряжений в нетронутом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления
На основе проведенного тестирования сформирована группа варьируемых параметров и выбран диапазон их изменения для проведения численных исследований закономерностей распределения напряженно-деформированного состояния в углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления вне зоны влияния горных выработок. Согласно таблицы 3.1, проведено моделирование параметров НДС по 29 вариантам расчетных схем дискретизации. Обзору полученных результатов посвящены следующие разделы работы. В качестве независимого изменяющегося параметра принята глубина залегания породных слоев в диапазоне 300-800 м с шагом изменения 100 м. Остальные параметры слоистого углепородного массива и горно-геологических условий оставались без изменения. После проведения вычисленных экспериментов во всем диапазоне изучаемого фактора строились кривые зависимости параметров НДС от глубины залегания породного слоя углепородного массива и устанавливались закономерности распределения деформаций и напряжений в нетронутом слоистом углепородном массиве, осложненном природными поверхностями ослабления. Вертикальные и горизонтальные смещения при увеличении глубины залегания породных слоев в пределах от 300 до 800 м возрастают почти линейно в жестких и мягких породных слоях, рисунки 3.6 и 3.7. 300 400 500 600 700 800 Глубина залегания породного слоя, м - - напряжения в мягком слое; напряжения по оси жесткого слоя; напряжения при d=0,2; - напряжения при d=0,4 Рисунок 3.8 - Зависимость вертикальных напряжений от глубины залегания породного слоя в ослабленном массиве 80
Распределение горизонтальных напряжений с изменением глубины залегания породного слоя в пределах от 300 до 800 м характеризуется увеличением напряжений в мягких и жестких слоях, рисунок 3.9. По мере удаления от середины жесткого слоя интенсивность увеличения напряжений возрастает. Причем максимум и минимум напряжений приходится на середину мягких и жестких слоев. Касательные напряжения с изменением глубины залегания породного слоя в пределах от 300 до 800м распределяются аналогично горизонтальным напряжениям, т.е. с увеличением залегания породного слоя напряжения в мягких и жестких слоях возрастают. Горизонтальные и вертикальные деформации.
Увеличение глубины залегания породного слоя в пределах 300-800 м приводит к увеличению деформаций в мягких н жестких слоях. По мере удаления от середины жесткого СЛОЯ деформации возрастают и на контактах между жесткими и мягкими слоями достигают максимума, рисунок 3.10. Для оценки соответствия распределения вертикальных и горизонтальных напряжений гравитационного поля напряжений (Динникова среда) с коэффици- ентом бокового давления, то есть X = , по известному значению X из графиков вычислен коэффициент
Исследование влияния ширины горной выработки на распределение напряжений и деформаций в слоистом углепородном массиве в зоне влияния одиночной горной выработки
Для исследования влияния ширины горной выработки на распределение деформаций и напряжений в слоистом углепородном массиве проведены исследования путем варьирования ширины горной выработки в диапазоне от 3 до 7 м с шагом изменения 2 м. Результаты экспериментов воспроизводились в виде графиков с использованием программ Excel, Surfer. Вертикальные смещения. На рисунке 4.53 приведен график распределения вертикальных смещений по сечению 1-І. Из графика следует, что с увеличением ширины горной выработки в породах кровли и почвы наблюдаются интенсивные вертикальные смещения, которые носят знакопеременный характер. 8 породах кровли наблюдаются оседания, а в почве пучения, которые возрас тают с увеличением ширины горной выработки. По боку выработки вертикаль ные смещения с увеличением ширины горной выработки от 5 до 7 м практиче ски не изменяются и в 1,5 раз больше смещений при ширине выработки 3 м. По оси выработки, сечение II-II, (рисунок 4.54) в породах кровли и почвы наблюдается увеличение смещений почти по линейному закону, а интенсивность смещений в сторону от кровли и почвы выработки снижается. Вертикальные смещения в породах кровли с увеличением ширины горной выработки с 3 до 7 м возрастают в 2,5 раза, а в породах почвы в 2 раза. Горизонтальные смещения по сечению 1-І, (рисунок 4.55) знакопеременные.
В породах кровли, над боком выработки с увеличением ширины горной выработки горизонтальные смещения возрастают. Наибольшая разность горизонтальных смещений пород в ослабленном и жестком слоях по контакту наблюдается при ширине выработки 5 м. При этом максимум горизонтальных смещений расположен на расстоянии 0,29Ь. При ширине выработки 3 и 7 м, максимальные смещения наблюдаются соответственно на расстоянии 0,08Ь и 0,57Ь. В мягких слоях породы смешаются от оси выработки в сторону массива. Наличие мягких слоев приводит к горизонтальным смещениям пород жестких слоев к оси выработки, т.е. в породах кровли происходит выдавливание пород жестких слоев в сторону выработки, уплотнение мягких слоев. В боках выработки породы в мягких слоях направлены в сторону угольного массива. В породах почвы наоборот, горизонтальные смещения в мягких слоях направлены в сторону оси выработки. Это связано с прогибом пород почвы и кровли, зажатием угольного пласта и его деформированием. По боку выработки преобладают горизонтальные смещения при ширине выработки 3 м. Наименьшие смещения наблюдаются при ширине выработки 7 м. Следовательно, чем больше ширина горной выработки, тем больше величина смещений пород кровли и почвы и тем меньше величина смещений по боку выработки. Вертикальные напряжения в породах кровли и почвы по сечению 1-І, рисунок 4.60 с увеличением ширины горной выработки с 3 до 7 м близки. На уровне кровли выработки и по ее боку вертикальные напряжения с увеличением ширины выработки сЗ до 7 м возрастают в 1,3 раза, рисунок 4.56 Рисунок 4.56 - Зависимость вертикальных напряжений по сечению 1-І от отношения Y/b при разной ширине горной выработки
