Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Антонюк Сергей Анатольевич

Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
<
Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Антонюк Сергей Анатольевич. Геомеханическое обоснование устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам: диссертация ... кандидата технических наук: 25.00.20 / Антонюк Сергей Анатольевич;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный""], 2015.- 146 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 11

1.1 Особенности проведения и крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам 11

1.2 Цель, задачи и методы исследования 28

ГЛАВА 2 Исследования форм и параметров разрушений угольного массива вокруг горных выработок на удароопасных пластах 30

2.1. Методика исследования 30

2.2 Результаты исследования 31

2.2.1 Геологическая характеристика экспериментальных участков на шахтах Баренцбургского угольного месторождения 31

2.2.2 Породы кровли 32

2.2.3 Характеристика угольного пласта 34

2.2.4 Породы почвы 35

2.3 Характер деформирования и разрушения охранных целиков 36

Выводы по главе 2 51

ГЛАВА 3 Исследования проявления горного давления в выработках закрепленных анкерной крепью на пластах, склонных к горным ударам, в условиях шахт кузнецкого угольного бассейна 53

3.1 Горно-геологическая характеристика пластов 53

3.1.1 Геологическая характеристика пласта Болдыревского - № 24 53

3.1.2 Геологическая характеристика пласта XXIV 54

3.1.3 Геологическая характеристика пласта III 55

3.2 Характеристика обследуемых выработок 56

3.2.1 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления фланговых уклонов 56

3.2.2 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления основно го штрека гор. - 40 м 58

3.2.3 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления транспортного и вентиляционного бремсбергов 59

3.3 Методика исследования 61

3.3.1 Методика определения категории удароопасности 61

3.3.2 Основные положения методики обследования анкерной крепи 62

3.3.2.1 Требования к элементам анкерной крепи 62

3.3.2.2 Внешние признаки опасных деформаций выработок и анкерной крепи... 63

3.3.2.3 Оценка состояния выработок и анкерного крепления в шахтных условиях 66

3.4 Результаты исследования проявления горного давления на шахте «им. СМ. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс», г. Ленинск-Кузнецкий 68

3.4.1 Экспериментальные участки: фланговый вентиляционный и фланговый путевой уклоны № 24-03 68

3.4.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 68

3.4.1.2 Результаты обследования фланговых уклонов № 24-03 77

3.5 Результаты исследования проявления горного давления на шахте «Первомайская» ОАО УК «Северный Кузбасс», г. Березовский 82

3.5.1 Экспериментальный участок: основной штрек гор. -40 м 82

3.5.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 82

3.5.1.2 Результаты обследования основного штрека гор. - 40 м 84

3.6 Результаты исследования проявления горного давления на ЗАО «Распадская-Коксовая» ОАО «Распадская», г. Междуреченск 88

3.6.1 Экспериментальные участки: транспортный и вентиляционный бремсберги 88

3.6.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 88

3.6.1.2 Результаты обследования транспортного и вентиляционного бремсбергов 92

Выводы по главе 3 94

ГЛАВА 4 Рекомендации по обеспечению устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам .. 96

4.1 Методика расчета расстояния между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам 96

4.2 Требования к элементам анкерной крепи горных выработок на пластах, склонных к горным ударам 100

4.3 Способ крепления горных выработок на удароопасных пластах 102

4.3.1 Моделирование процесса проходки выработки вне зоны влияния очистных работ 106

4.3.1.1 Исследования зависимости несущей способности комбинированной (анкерно-рамной) крепи от порядка и времени установки ее элементов 108

4.3.1.2 Постановка задачи 111

4.3.1.3 Методический подход к численному моделированию строительства выработки с учетом этапности строительства в двухмерной постановке 115

4.3.1.4 Результаты численного моделирования 120

Выводы по главе 4 127

Заключение 128

Список литературы

Цель, задачи и методы исследования

В работе [59] описываются причины динамического явления, произошедшего 30.05.1973 г. в восточном откаточном штреке пласта «Мощный» на шахте «Центральная» ОАО «Воркутауголь». В работе сказано, что штрек имел сечение 13,5 м и был закреплен арочной податливой металлической крепью. Вследствие удара крепление выработки было деформировано на протяжении 80 м. На участке длиной 48 м произошло взаимное проскальзывание элементов крепи в замках на 1-1,2 м, пучение почвы на 0,45 м, поломка затяжки кровли и боков.

Из приведенных примеров можно сделать вывод, что во всех выработках, закрепленных податливой крепью, после горных ударов нарушенные участки выработок сохраняли форму сечения в свету, а реализация ударной волны отразилась во всех случаях в основном в виде мгновенного усиленного пучения почвы. При этом происходила осадка крепи со стороны кровли с проскальзыванием элементов крепи в замках податливости. Боковые стойки крепи в целом оставались невредимыми.

Анкерная крепь. Опыт работы отечественных и зарубежных угольных шахт [60] показывает, что для обеспечения эффективной работы выемочных участков необходимо перейти от крепления горных выработок рамной крепью к креплению анкерами. В этом случае снижаются затраты на материалы, уменьшается трудоемкость работ по креплению и поддержанию выработок, увеличивается скорость их проведения, повышается надежность поддержания и безопасность ведения горных работ [61, 62].

Для крепления подготовительных горных выработок в качестве основных применяются следующие конструкции анкерной крепи [63, 64, 65, 66]: с замковым закреплением; сталеполимерные из проката винтового профиля; сталеполи-мерные из круглого стального профиля; сталеполимерные из проката периодического профиля; сталеполимерные со сварными стержнями; сталеминеральные.

Отличительной особенностью работы замковых анкеров в условиях действия динамических нагрузок является проскальзывание замков при сотрясении массива и ослабление контакта опорной шайбы с породами, в результате чего уменьшается натяжение анкеров, поэтому в угольной промышленности большинство выработок крепятся сталеполимерными анкерами, так как эта система практически исключает возможность перемещения замка в скважине и обеспечивает отличное длительное закрепление. В настоящее время доля выработок, закрепленных сталеполимерной анкерной крепью, на шахтах Кузбасса составляет 60-98 % от общей протяженности проводимых выработок [67]. Имеется несколько причин, по которым сталеполимерные анкера с закреплением по всей длине шпура следует предпочесть анкерам с распорными замками [68]: - при использовании сталеполимерных анкеров с закреплением по всей длине скважины агрегатная прочность породного массива увеличивается во всех случаях в намного большей степени, чем при применении замковых анкеров; - сталеполимерные анкера при небольшой деформации приконтурного массива работают достаточно эффективно и без опорных плит, лишь на более поздней стадии деформации выработки опорные плиты начинают оказывать сопротивление смещению породного контура; - анкера, закрепляемые по всей длине скважины, не требуют контроля и выполняют свои функции без предварительного натяжения; - сталеполимерные анкера оказывают достаточно высокое сопротивление сдвижению слоистых пород кровли.

Однако, несмотря на все положительные аспекты в применении сталеполимерной анкерной крепи, до настоящего времени в «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам» [36] применение анкерной податливой крепи допускается в горных выработках со сроком службы не более 2 лет. Это создает массу проблем, в том числе трудовые и материальные затраты, связанные с перекреплением выработок, которые в большинстве случаев находятся в хорошем состоянии и по характеру проявления горного давления отвечают требованиям ПБ, предъявляемым к эксплуатируемым выработкам. Запрет основан на том, что анкерная крепь якобы приводит слоистый массив в жесткую неподатливую систему, которая становится источником удароопасности [69, 70]. Исследования показали [68], что анкерная крепь, даже такая жесткая, как сталеполимерная, обладает естественной определенной податливостью, составляющей в данном случае без применения специальных податливых элементов 4-7 %. Учитывая тот факт, что сейчас, как правило, длина анкеров при креплении кровли колеблется в интервале от 2 до 3,5 м, получаем, что при допустимом удлинении анкера на 4 % суммарная податливость всей системы анкерной крепи, включающей элементы: стержень, опорную шайбу и решетчатую затяжку, составит 80 мм и более, что соответствует требованиям инструкции по применению анкерной крепи на пластах, склонных к горным ударам. Поэтому положение, основанное на том, что анкерная крепь якобы приводит слоистый массив в жесткую неподатливую систему, требует дополнительных исследований.

Исходя из выше перечисленного, можно сделать вывод, что в результате горных ударов, формы разрушения при использовании разных видов крепей будут различны; в связи с этим в работе проанализированы известные случаи горных ударов; указаны места расположения их эпицентров относительно контура выработок; приведены разрушенные участки выработок, состояние их почвы, кровли и крепи с целью нахождения более рационального и эффективного способа крепления.

Целью диссертационной работы является геомеханическое обоснование и разработка рекомендаций по проведению и креплению парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Исследовать формы, закономерности и параметры разрушения массива вокруг выработок при горном ударе. 2. Исследовать влияние анкерной крепи горных выработок на изменение удароопасности горного массива.

В работе использован комплексный метод исследования: - анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, по вопросам изучения наиболее рационального способа проведения и крепления выработок на пластах, склонных к горным ударам; - шахтные измерения и наблюдения в капитальных и подготовительных выработках на пластах, склонных к горным ударам; - анализ и обобщение полученных при шахтных исследованиях материалов; - численное моделирование процесса проходки выработки, находящейся вне зоны влияния очистных работ, с помощью метода конечных элементов, реализованного в программе SIMULIA - Abaqus Unifield FEA 6.7, предоставленной на кафедре строительства горных предприятий и подземных сооружений, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Характеристика угольного пласта

Как видно из таблицы 4, форма разрушения и видимые размеры разрушенных зон практически не отличаются от измеренных при расследовании случаев горных ударов на шахтах Баренцбургского угольного месторождения и на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь».

Естественно предположить, что фактические размеры зон разрушения пород вокруг выработок, приведенные в таблице 4, будут мало отличаться от установленных автором при расследовании случаев горных ударов. Как показывают результаты исследований, разрушения выработок при горном ударе в большинстве случаев происходят в боках выработок; при этом анкерная крепь, установленная в бока выработок, не может препятствовать этим перемещениям, так как их длина (в большинстве случаев 1,5 - 2 м) меньше фактической зоны разрушения породы в боках выработки.

Применяемые для крепления горных выработок металлические арочные или рамные крепи рассчитаны на сопротивление от вертикальной нагрузки, и практически отсутствуют крепи, имеющие конструктивную боковую податливость. На основании результатов исследований и данных, приведенных в каталоге горных ударов [54, 55, 56, 57], построены зависимости (см. рисунки 13, 14, 15) глубины разрушения угольного массива (А/, м) в случае горного удара от таких показателей, как: глубина работ (Я,м), площадь сечения выработки (S, м ) и мощность пласта (т, м).

График зависимости глубины разрушения от площади сечения выработки График зависимости А/ от S строился при условии, что мощность пласта и глубина работ не изменяются. Исходя из графика видно, что чем больше площадь сечения выработки, тем больше разрушение угольного массива при горном ударе.

График зависимости глубины разрушения от мощности пласта График зависимости А/ от т строился при условии, что площадь сечения выработки и глубина работ не изменяются. Из графика видно, что с помощью увеличения мощности пласта можно смягчить глубину разрушения угольного массива.

В результате статистической обработки полученных зависимостей была выведена формула для прогнозного определения фактической глубины разрушения угольного массива вокруг выработки при горном ударе, которая приведена ниже: площадь сечения выработки, м ; Я- глубина разработки, м; у - объемный вес пород, т/м ; т - мощность пласта, м; Ry - прочность угля на сжатие, т/м . В таблице 5 приведены фактические глубины разрушения горных пород вокруг выработок, измеренных в натурных условиях и рассчитанных по формуле (5).

Фактическая и расчетная глубина разрушения при горном ударе № Наименование выработки Площадь сечения выработки, S, м ейX Xюч Объемный вес пород кровли, у, т/м "н" оейЧ Xл н о оXво Прочность угля на сжатие, Ry, т/м Ширина защитной зоны в краевой части пласта, согласно «Инструкции...» [36], и, м Фактическая глубинаразрушения в бокахвыработки, А/, м Глубина разрушения,рассчитанная поформуле (5), А/, м

Основной формой разрушения горных выработок при горном ударе является выброс, выдавливание и перемещение горной массы в свободное пространство выработки, при этом видимые размеры разрушения составляют 1,2-5,0 м.

Установлено, что фактическая глубина разрушения пород вокруг выработки в 2-8 раз больше видимой и зависит от сечения выработки, глубины работ, мощности пласта и прочности угля на сжатие. Получена формула для прогнозного определения величины разрушения пород вокруг выработок в случае горного удара.

Исследования показали, что наименьшие разрушения кровли выработок при горном ударе имеют место при креплении кровли сталеполимернои анкерной крепью. 4. Установлено, что применяемые для крепления выработок на удароопас-ных пластах арочные металлические или рамные крепи рассчитаны на сопротивление от вертикальной нагрузки и не способны сопротивляться деформациям и разрушениям боковых стенок выработок при горном ударе.

При проведении парных выработок на удароопасных пластах расстояние между ними следует принимать не менее суммарной возможной величины разрушения пород в боках каждой из выработок.

Глубина защитной зоны, создаваемой в охранном целике при проведении горных выработок, должна приниматься не менее фактически возможной глубины разрушения пород в боках выработок при горном ударе.

Крепление боков выработки на удароопасных пластах анкерной крепью длиной 1,5-2,5 м не защищает бока выработки от разрушения при горном ударе, так как их длина значительно меньше фактической глубины разрушения пород.

Для минимизации вредных последствий для выработок при горном ударе необходимо разработать (для этих условий) крепь, имеющую конструктивную боковую податливость и способную сопротивляться горизонтальным нагрузкам.

Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления фланговых уклонов

Фланговый вентиляционный и фланговый путевой уклоны залегают на глубине 140-380 м, с глубины 150 м пласт угрожаем по горным ударам. Выработки проводились по пласту Болдыревскому - № 24 (геология пласта № 24 представлена в пункте 3.1.1) при помощи комбайна «Джой». Крепление кровли выработок осуществлялось с помощью анкеров типа АСП 20В длиной 2,3 м, а боков выработки с помощью анкеров АСП 20В длиной 1,8 м (паспорт крепления фланговых уклонов представлен в пункте 3.2.1).

В ходе проведения флангового путевого уклона были выявлены геологические нарушения на участке от МТ8896+16 м до МТ8896+18 м протяженностью 2м- Восточно-Камышанский взброс.

Фактические параметры фланговых уклонов. Ширина флангового вентиляционного уклона изменяется от 4,7 м до 5,5 м, высота от 3,1 до 3,6 м. Ширина вентиляционного уклона 5,5 м и высота 3,6 м отмечаются на участке вент, уклона от МТ8886 до МТ8886+7 м. Кровля на данном участке закреплена анкерами АСП 20В длиной 2,3 м при помощи одной ампулы ДАК-1 (/ = 1000 мм) под опорные шайбы 300 300 8 мм. Шаг установки рядов анкеров - 0,9 м. На участке произведено усиление крепи кровли анкерами второго уровня - АК-01 длиной 4,1 м в 3 ряда, с шагом анкеров 0,9 м. На данном участке выработка проводилась с присеч-кой пород в почве выработки на глубину 1,5 м.

Ширина флангового путевого уклона изменяется от 4,5 м до 4,7 м, высота от 3,1 до 4,0 м. Ширина путевого уклона 4,7 м и высота 4,0 м отмечаются на сопряжении флангового путевого уклона № 24-03 с путевым штреком № 24-04. Кровля сопряжения закреплена анкерами АСП 20В длиной 2,3 м при помощи одной ампулы ДАК-1 (/ = 1000 мм) под опорные шайбы 300 300 8 мм. Шаг установки рядов анкеров - 0,9 м. На сопряжение произведено усиление крепи кровли сопряжения канатными анкерами второго уровня типа АК-01 длиной 0,5 м.

В целом изменения параметров фланговых уклонов не вызывают ухудшения геомеханической ситуации в выработках, не нарушают режим проветривания выработок, а также не осложняют процесс транспортировки грузов по выработкам.

Состояние пород кровли фланговых уклонов. С целью уточнения структуры пород кровли, выявления трещин и расслоений, возможных геологических нарушений и т.д., в кровлю выработок бурили шпуры, обследование которых проводили видеоэндоскопом Wohler Vis 340.

Общие выводы по результатам обследования шпуров, отбуренных в кровлю флангового вентиляционного уклона: - интервал от 0 до 0,5 м - угольный массив с вкраплением пород (предположительно алевролит) имеет интенсивную разнонаправленную трещиноватость и расслоение, ширина раскрытия трещин - 3-7 мм, расстояние между трещинами - 10-15 мм; - интервал от 0,5 до 2,26 м - угольный массив с вкраплением пород (предположительно алевролит) имеет незначительную трещиноватость; - интервал от 2,26 до 3,62 м - породы кровли пласта (предположительно алевролит) имеют монолитное строение, трещиноватости и расслоений не выявлено.

Общие выводы по результатам обследования шпуров, отбуренных в кровлю флангового путевого уклона: - интервал от 0 до 0,35 м - породы кровли пласта имеют разнонаправленную трещиноватость и расслоение, ширина раскрытия трещин - 3-7 мм, расстояние между трещинами - 100-150 мм; - интервал от 0,35 до 3,86 м - породы кровли пласта (предположительно алевролит) имеют монолитное строение, трещиноватостей и расслоений не выявлено; - интервал от 3,86 до 4,69 м - породы кровли пласта (предположительно алевролит) имеют монолитное строение, трещиноватостей и расслоений не выявлено, на стенках шпура наблюдается незначительный водоприток.

Оценка состояния кровли показала, что участков с опасными проявлениями горного давления не обнаружено. Визуальное обследование состояния фланговых уклонов. Состояние пород в кровле выработок - удовлетворительное, видимая трещиноватость отсутствует, вывалов нет. На нескольких участках произошло отслоение пород кровли на высоту 0,1 м, отслоившиеся породы удерживаются решетчатой затяжкой от просыпания, провисание решетки отсутствует, деформаций прутков не выявлено, сварка не нарушена. Состояние пород в боках выработок приемлемое, отжим, заколы, трещины не обнаружены.

Деформированных опорных элементов, гаек, анкерных стержней в кровле и боках выработок на протяжении всей длины не выявлено. Состояние решетчатой затяжки в кровле и боках выработок удовлетворительное.

Установлено, что возведенное сопротивление и плотность установки анкеров в кровле и боках выработок соответствует требованиям «Инструкции по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России» [65] и параметрам, которые заложены в паспорте.

Помимо визуального осмотра выработок, проводился анализ результатов замеров на станциях наблюдения типа ВЗС, который показал, что смещения боков и кровли фланговых уклонов отсутствуют.

Измерение коррозионного износа. Измерение коррозионного износа производилось с помощью штангенциркуля в интервале каждые 100 м на трех произвольно выбранных анкерах. Произведенные измерения показали, что отклонения диаметров анкерных стержней от технических характеристик, указанных в паспорте на анкерную крепь, не имеется, диаметр анкеров, шайб, гаек соответствует требованиям ГОСТа Р52042-2003. На элементах анкерной крепи наблюдается поверхностная коррозия, незначительная ржавчина, которая легко убирается ветошью. Результаты измерения прочности закрепления анкеров в шпурах. Прочность закрепления анкерных стержней в шпурах проверялась их нагружением с помощью штанговыдергивателя ПКА-3. При проверке нагрузка на анкер принималась не менее 70 % от несущей способности анкера по его технической характеристике.

Моделирование процесса проходки выработки вне зоны влияния очистных работ

Строительство выработки вызывает перераспределение напряжений в ее окрестности, что приводит к неравномерному состоянию, когда внутренние и внешние силы не уравновешены. Энергия, накопленная в породном массиве, затрачивается на деформации самого породного массива или системы «породный массив - выработка». Принципиальных трудностей применения физически нелинейных моделей в связи с развитием численных методов (конечных элементов, граничных элементов, конечных разностей) не имеется, однако область применения указанных моделей ограничивается частными случаями [118, 119].

Приблизительно 30 % радиальных смещений происходит еще в породном массиве, и лишь оставшиеся 70 % реализуются по мере удаления рассматривае 116 мой точки от забоя [120]. Поэтому при расчете крепи на собственный вес пород или тектоническое начальное поле напряжений, применение любой модели в схеме контактного взаимодействия массива с крепью сталкивается с проблемой отставания возведения крепи от обнажения пород в пространстве (отставание от забоя выработки) и времени и учета начальных смещений, происходящих до возведения крепи. Для решения указанной проблемы отставание возведения крепи от обнажения и наличие указанных смещений пород учитывается коэффициентом а 1, который является множителем к компонентам начального поля напряжений в массиве (а-а0) и характеризует отставание установки крепи от забоя (по расстоянию и времени) [118].

Если для сложных пространственных подземных сооружений, а также участков сопряжений двух выработок, создание объемной модели является единственно возможным вариантом получения корректных результатов, то при рассмотрении протяженных выработок, в ряде случаев, можно выполнить численное моделирование строительства выработки в плоско-деформационной постановке. В общем случае в плоско-деформационной постановке рассматривается сечение выработки, расположенное на значительном расстоянии от забоя выработки.

Для того чтобы учесть подвигание забоя выработки, необходимо искусственно ввести в модель давление, действующее на контуре выработки. По мере подвигания забоя величину давления, приложенного на контуре рассматриваемого сечения выработки, необходимо уменьшать от величины начального напряженного состояния, действующего в окрестности выработки, до 0.

При моделировании строительства выработки в плоско-деформационной постановке существует ряд подходов [120, 121], которые позволяют учесть технологию проведения выработки, а именно отставание установки крепи от забоя.

Метод редуцированных напряжений породного массива (см. рисунок 38). При выполнении численного моделирования строительства выработки начальные компоненты главных напряжений оь а2, а3 принимаются с учетом начального поля напряжений и коэффициента а.

Таким образом, величина начальных компонентов главных напряжений в породном массиве снижается, что приводит к уменьшению радиальных и тангенциальных смещений на контуре выработки. В этом случае силы, приложенные на внешнем контуре модели и характеризующие начальное напряженное состояние породного массива, должны быть рассчитаны с учетом коэффициента а.

Метод редуцированных напряжений породного массива Метод пониженной жесткости крепи (обделки) (см. рисунок 39). Другим подходом к учету подвигания забоя выработки является метод, основанный на уменьшении жесткости крепи (уменьшение жесткости крепи осуществляется за счет уменьшения модуля деформации 3-Е,).

Крепь вводится в работу при напряжении а, равном начальному значению напряженного состояния породного массива, или, другими словами, крепь выработки устанавливается мгновенно, без возможности смещения контура выработки. Достоверные напряжения в крепи выработки можно получить, подобрав значения параметра 5, что является достаточно трудоемкой задачей. Другим недостатком данного метода является то, что по мере уменьшения жесткости крепи изгибающий момент снижается быстрее, чем величина продольной силы, действующей в крепи, что не соответствует реальности.

Метод снятия напряжений с контура выработки (см. рисунок 40). Наиболее распространенным методом учета подвигания забоя выработки и отставания установки крепи является метод, основанный на поэтапном снятии напряжений с контура выработки.

Данный метод применяется при конечно-элементном моделировании строительства выработки. Моделирование выполняется в следующей последовательности. На первом этапе задается начальное поле напряжений в области, моделирующей породный массив. На втором этапе жесткость конечных элементов, расположенных внутри контура выработки, обнуляется, а по контуру выработки в узлах задаются нормальные и касательные силы. Величина усилия Р определяется с учетом параметра а, где параметр а изменяется от 0 до 1.

На третьем этапе элементы (стержневые или сплошные), которые отвечают за поведение крепи, вводятся в работу, а величина усилия Р снижается до нуля. Усилия в крепи (продольная сила, изгибающий момент и перерезывающая сила) формируются в крепи только на третьем этапе. Чем выше жесткость крепи, тем выше величины усилий формируются в ней.

Приведенный подход к моделированию строительства выработки в плоскодеформационной постановке позволяет получить усилия, которые формируются в крепи с учетом отставания установки крепи от забоя. Что более важно, такой упрощенный подход позволяет корректно прогнозировать смещения контура выработки, а также осадку земной поверхности. Данный метод может применятся как для линейно-деформируемого материала (породный массив), так и для более сложного поведения (упруго-пластического, вязко-пластического и др.).

Метод опорного ядра (см. рисунок 41). При сложной конфигурации выработки метод снятия напряжений с контура является трудоемким. В этом случае рациональным является метод опорного ядра. В данном методе моделирование делится последовательно на несколько этапов. На первом этапе задается начальное напряженное состояние, а свойства материала рассматриваемой модели одинаковы. На втором этапе жесткость опорного ядра (участок модели, заключенной внутри контура выработки) уменьшается (снижается модуль общей деформации породного массива и коэффициент поперечной деформации), при этом напряжение элементов, формирующих опорное ядро, обнуляется. Произведение начального значения модуля деформации породы Е0 на параметр а позволяет получить редуцированную жесткость опорного ядра. Параметр а можно определить следующим образом. Необходимо рассмотреть ряд плоско-деформационных моделей. Деформационные свойства опорного ядра задаются через а-Е0, где а изменяется от 0 до 1. Полученные смещения в заданной точке (например, в своде выработки) фиксируют и затем строят зависимость радиальных смещений на контуре выработки от модуля деформации опорного ядра. Задавая отставание установки крепи от забоя, определяем величину радиальных смещений контура выработки до ввода крепи в работу. Подставляя полученную величину смещений в зависимость «радиальные смещения - модуль деформации», находим величину модуля деформации опорного ядра, при котором смещения на контуре выработки до ввода крепи в работу будут соответствовать заданным. На третьем этапе конечные элементы, которые отвечают за ввод крепи, включаются в работу, а модуль деформации опорного ядра приравнивается к 0. Последующее совместное смещение крепи и массива формирует усилия в крепи выработки.