Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологических схем разработки пологих и наклонных пластов и закономерностей процессов деформирования ленточных угольных целиков 15
1.1. Анализ технологических схем выемочных участков с межучастковыми ленточными угольными целиками 15
1.2. Анализ геомеханических процессов в углепородном массиве при управлении горным давлением неизвлекаемыми ленточными угольными целиками 20
1.3. Анализ методов определения параметров ленточных угольных целиков 22
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 31
2. Разработка методики исследований и определения параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков 33
2.1. Разработка методики исследований закономерностей изменения геомеханических параметров угольных целиков.. 33
2.2. Разработка методики корректировки схем дискретизации исследуемой области в массиве горных пород по результатам физического моделирования 41
2.3. Разработка методики обеспечения адекватности физической модели реальным условиям анизотропного углепородного массива 44
2.4. Программное обеспечение для исследований физической модели на ЭВМ и расчета параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков 46
2.5. Выводы 49
3. Обеспечение подобия физической модели реальным условиям анизотропного углепородного массива 51
3.1. Выбор критериев подобия и разработка физической модели участка исследований в анизотропном углепородном массиве 51
3.2. Ранжирование горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства по результатам физического моделирования ... 60
3.3. Обеспечение адекватности физической модели реальным условиям анизотропного углепородного массива 67
3.4. Исследование физической модели на ЭВМ и сокращение схемы дискретизации области в массиве горных пород 70
3.5. Оценка адекватности физической модели- реальным условиям анизотропного углепородного массива 83
3.6. Выводы 88
4. Установление закономерностей изменения геомеханических параметров ленточных угольных целиков 90
4.1. Выбор базового варианта технологической схемы для изучения закономерностей изменения геомеханических параметров ленточных угольных целиков 90
4.2. Исследование влияния глубины ведения горных работ на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках 94
4.3. Исследование влияния мощности отрабатываемого пласта на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках 103
4.4. Исследование влияния угла падения отрабатываемого пласта на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках
4.5. Исследование влияния структуры строения отрабатываемого пласта на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках 117
4.6. Исследование влияния ширины ленточных угольных целиков на изменение их напряженно-деформированного состояния 123
4.7. Выводы 128
5. Разработка методики геомеханического обоснования параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков 130
5.1. Установление многофакторной регрессионной зависимости изменения напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках 130
5.2. Пример реализации методики обоснования параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков 13 6
5.3. Выводы 148
Заключение 150
Литература 15 6
- Анализ геомеханических процессов в углепородном массиве при управлении горным давлением неизвлекаемыми ленточными угольными целиками
- Разработка методики корректировки схем дискретизации исследуемой области в массиве горных пород по результатам физического моделирования
- Ранжирование горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства по результатам физического моделирования
- Исследование влияния структуры строения отрабатываемого пласта на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках
Введение к работе
Основным направлением развития технологии подземной угледобычи в России является применение бесцеликовых схем подготовки и отработки выемочных полей и участков. Однако, ухудшение горно-геологической ситуации оказало негативное влияние на их эффективность по геомеханическим условиям разработки. Значительные затраты, высокая трудоемкость работ по сохранению и повторному использованию подготовительных и выемочных выработок, и, как следствие, нагрузка на очистной забой в среднем по шахтам РФ не более 830т в сутки, стали причинами отказа от применения бесцеликовых технологий угледобычи. В зарубежной практике на шахтах Австралии, США и других стран, большая часть длинных столбов отрабатывается по схеме "шахта-пласт" с оставлением ленточных межучастковых угольных целиков шириной до 50м.
На угольных шахтах России, отрабатывающих одновременно несколько угольных пластов в свите, оставляемые ленточные межучастковые целики являются источниками динамических проявлений горного давления при переводе горных работ на надработанные и подработанные пласты. Повышение эффективности отработки выемочных столбов и исключение возможности динамических проявлений горного давления путем отказа от бесцеликовых и внедрения многоштрековых технологических схем сдерживается отсутствием надежных методов расчета минимальной ширины предельно устойчивых угольных целиков. Обеспечение устойчивого состояния угольных целиков минимальной ширины связано с изучением и установлением закономерностей геомеханических процессов в зоне влияния очистных работ отрабатываемого пласта, характера изменения геомеханических параметров угольных целиков в зависимости от широкого спектра влияющих горногеологических и горнотехнических факторов. Проведение этих исследований
6 возможно путем совершенствования и развития существующих методов исследований физических процессов горного производства.
В этой связи, актуальной научно-практической задачей является геомеханическое обоснование параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков для обеспечения эффективности и безопасности интенсивной разработки пологих и наклонных пластов длинными комплексно-механизированными очистными забоями.
Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Сибирского государственного индустриального университета, Федеральной целевой программой "Интеграция" по проекту "Освоение и сохранение недр Кузбасса", Региональной программой Миннауки РФ "Высшая школа Кузбасса 1996-2000, программами выполнения работ по ГРАНТам № 77,78 Минобразования РФ "Горные науки", единым заказ-нарядом Минобразования РФ.
Цель работы. Обеспечить безремонтное поддержание оконтуривающих подготовительных выработок межучастковыми предельно устойчивыми ленточными угольными целиками на основе геомеханического обоснования их параметров при интенсивной разработке пологих и наклонных пластов длинными комплексно-механизированными очистными забоями.
Идея работы заключается в том, что несущая способность и устойчивость межучастковых ленточных угольных целиков минимальной ширины обеспечивается их работой за пределом прочности с регулируемыми податливостью и напряженно-деформированным состоянием.
Задачи исследований: разработать методику исследований закономерностей изменения геомеханических параметров угольных целиков с учетом напряженно-деформированного состояния анизотропного углепородного массива в зоне влияния выработанного пространства и подготовительных выработок; установить геометрические и деформационные критерии подобия параметров физической модели условиям реального анизотропного углепородного массива; ранжировать по результатам физического моделирования горногеологические факторы и геометрические параметры целиков и выработанного пространства по степени их влияния на изменение параметров деформирования отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород; установить закономерности распределения напряжений и деформаций в угольных целиках и боковых породах в зависимости от горно-геологических факторов и геометрических параметров угольных целиков и выработанного пространства; разработать с использованием условия равенства механических напряжений и предельной прочности угля методику геомеханического обоснования параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков при интенсивной разработке пологих и наклонных пластов.
Методы исследований: физическое моделирование для определения деформаций в угольных целиках и вмещающих горных породах; градиентная оптимизация для обоснования геометрических и деформационных критериев подобия физической модели условиям реального анизотропного углепородного массива; главных компонент для ранжирования по степени влияния горногеологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства на изменение параметров деформирования отрабатываемого угольного пласта и боковых пород; статистический анализ рассчитанных методом конечных элементов напряжений и деформаций в угольных целиках и боковых породах; наименьших квадратов для установления зависимости изменения параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков.
8 Научные положения, выносимые на защиту: соответствие прогнозируемых и фактических геомеханических параметров угольных целиков достигается системной корректировкой прочностных и деформационных параметров эквивалентных материалов, численным решением системы дифференциальных уравнений механики горных пород для условий физического моделирования и реального анизотропного углепородного массива и сравнением рассчитанных и измеренных в шахтных условиях деформаций угольных целиков и крепи прилегающих выработок; геометрическое и деформационное подобие параметров физической модели условиям реального анизотропного углепородного массива обеспечивается совпадением формы графиков распределения деформаций по ширине целика, измеренных при физическом моделировании и в натурных условиях в широком диапазоне горно-геологических условий и геометрических параметров целиков и выработанного пространства; ранжирование горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства по величине безразмерного критерия факторных регрессионных зависимостей изменения деформаций отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород по результатам физического моделирования обеспечивает адаптацию алгоритма расчета геомеханических параметров в исследуемой области анизатропного углепородного массива для адекватной оценки напряженно-деформированного состояния угольных целиков за счет последовательного рассмотрения в порядке убывания факторов ранжированного ряда и исключения из рассмотрения несущественных факторов и параметров; установленные закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния угольных целиков и вмещающих горных пород позволяют оценить влияние мощности, угла падения, глубины расположения, структуры, прочностных и деформационных параметров угольных пластов, а также формы и размеров выработанного пространства на устойчивость ленточных угольных целиков при разработке пологих и наклонных пластов; эффективность разработки пологих и наклонных пластов длинными комплексно-механизированными очистными забоями повышается за счет использования параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков, полученных из условия равенства механических напряжений и предельной прочности угля, которые обеспечивают безремонтное поддержание оконтуривающих подготовительных выработок, исключают формирование несущего ядра в угольных целиках и способствуют снижению потерь угля.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается: удовлетворительным совпадением, соответствующим погрешности не более 6%, смещений на контуре подготовительной выработки, вычисленных с использованием классических уравнений механики сплошных сред и полученных в результате исследований физической модели на ЭВМ путем численного решения системы дифференциальных уравнений механики горных пород; обеспечением геометрического и деформационного подобия и сопоставимостью результатов исследований физической модели на ЭВМ с данными шахтных экспериментальных измерений смещений и деформаций угольных целиков и элементов крепи прилегающих подготовительных выработок; среднеквадратическое отклонение вычисленных и измеренных величин не превышает 9%; значительным объемом проведенных лабораторных исследований физической модели (36 вариантов) для ранжирования горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства по степени их влияния на деформации отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород, статистическим анализом результатов физического моделирования с применением стандартных методов оценки погрешности измерений смещений и деформаций целиков и слоев эквивалентного материала и полученным коэффициентом корреляции уравнений парной регрессии 0,70-0,99; подтверждением установленных закономерностей (по результатам исследований 162-х вариантов расчетных схем) влияния на изменение напряженно-деформированного состояния угольных целиков мощности, угла падения, глубины расположения, структуры, прочностных и деформационных параметров угольных пластов в условиях ОАО "Шахта "Есаульская" при отработке пласта 29а длинными очистными забоями с оставлением межучастковых ленточных целиков шириной 4-20м; положительными результатами апробации разработанной методики для геомеханического обоснования параметров предельно устойчивых межучастковых ленточных угольных целиков в ОАО "Шахта "Есаульская" АОУК "Кузнецкуголь".
Научная новизна работы состоит в: разработке методики оценки соответствия прогнозируемых и фактических геомеханических параметров угольных целиков, базирующейся на системной корректировке прочностных и деформационных параметров эквивалентных материалов физической модели при решении системы дифференциальных уравнений механики горных пород на ЭВМ для условий физического моделирования и реального анизотропного углепородного массива, оптимизации пространственного положения, направления ориентирования и размеров элементов дискретизации схем физического моделирования и исследуемой области в массиве горных пород и сравнении рассчитанных и измеренных в шахтных условиях деформаций угольных целиков и крепи прилегающих выработок; обосновании адекватности физической модели, разработанной при соблюдении геометрических и деформационных критериев подобия, условиям реального анизотропного углепородного массива по форме графиков распределения деформаций по ширине целика, измеренных при физическом моделировании и в натурных условиях; ранжировании горно-геологических и горнотехнических факторов по степени их влияния на изменение параметров деформирования отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород в виде убывающего по весам ряда: ширина угольного целика, размер выработанного пространства, глубина разработки, мощность пласта, угол падения, предел прочности угля в отрабатываемом пласте; установлении многофакторной регрессионной зависимости изменения напряжений и деформаций в угольных целиках от основных горногеологических и горно-технологических факторов: мощности, угла падения, глубины расположения, структуры, прочностных и деформационных параметров угольных пластов, а также формы и размеров выработанного пространства; разработке методики геомеханического обоснования минимальной ширины предельно устойчивых угольных целиков, базирующейся на выполнении условия равенства механических напряжений и предела прочности угля в них с учетом объемного напряженного состояния, что обеспечивает устойчивость целиков без формирования зон динамических проявлений горного давления и способствует снижению потерь угля в них при интенсивной разработке пологих и наклонных пластов длинными комплексно-механизированными очистными забоями.
Личный вклад автора состоит в: разработке методики исследований закономерностей изменения геомеханических параметров угольных целиков, базирующейся на физическом моделировании участка анизотропного углепородного массива и обеспечивающей соответствие прогнозируемых и фактических напряжений и деформаций за счет системной корректировки прочностных и деформационных параметров эквивалентных материалов; установлении геометрических и деформационных критериев подобия физической модели условиям реального анизотропного углепородного массива, проведении физического моделирования, анализе полученных результатов и определении парных регрессионных зависимостей распределения деформаций по ширине целика, форма графиков которых удовлетворительно совпадает с результатами шахтных экспериментальных исследований; обосновании убывающего ранжированного по степени влияния на изменение деформаций отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород ряда горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства; установлении закономерностей влияния на изменение параметров напряженно-деформированного состояния угольных целиков мощности, угла падения, глубины расположения, структуры, прочностных и деформационных свойств отрабатываемого угольного пласта, а также формы и размеров выработанного пространства при разработке пологих и наклонных пластов, статистической обработке полученных результатов и определении многофакторной регрессионной зависимости, позволяющей оценивать совокупное влияние рассмотренных факторов на устойчивость угольных целиков; разработке рекомендаций для геомеханического обоснования параметров предельно устойчивых межучастковых ленточных угольных целиков исходя из условия равенства механических напряжений и предела прочности угля в них, обеспечивающих предотвращение формирования зон динамических проявлений горного давления и способствующих сокращению потерь угля в целике при интенсивной разработке пологих и наклонных пластов длинными комплексно-механизированными очистными забоями.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют: изучать методом физического моделирования закономерности изменения геомеханических параметров угольных целиков с учетом напряженно-деформированного состояния анизотропных углепородных массивов, включающих выработки сложной конфигурации и прогнозировать геомеханические параметры угольных целиков; устанавливать геометрическое и деформационное подобие параметров различных вариантов физической модели эквивалентных материалов условиям реального анизотропного углепородного массива; планировать эксперименты по исследованию устойчивости угольных целиков и оконтуривающих подготовительных выработок по заданному уровню, влияющих на деформации отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород, горно-геологических и горнотехнических факторов ранжированного ряда; использовать установленные закономерности и многофакторную регрессионную зависимость влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов на изменение параметров напряженно-деформированного состояния отрабатываемого пласта для оценки их совокупного влияния на устойчивость угольных целиков; устанавливать параметры предельно устойчивых ленточных угольных целиков, обеспечивающих безремонтное поддержание оконтуривающих подготовительных выработок и исключающих динамические проявления горного давления.
Реализация работы: основные положения и результаты исследований использовались для расчета параметров предельно устойчивых угольных целиков на пласте IV-V ОАО "Шахта "Томская", на пластах 26а и 29а ОАО "Шахта "Есаульская" и на пласте 26а ОАО "Шахта "Полосухинская"; научные результаты и практические рекомендации использованы в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета при изучении дисциплин специальности 090200 "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых".
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: Первом международном научном .симпозиуме в рамках Международного научного конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (Томск, 1997г.); Студенческой научно-практической конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новокузнецк, 1997-2000г.г.); Международных научно-практических конференциях "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1997г., 1999г.), "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1997г.), "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 1999г.); научных семинарах СибГИУ (1997-1999 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных трудах автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 189 страницах машинописного текста, набранного на компьютере. Включает 50 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 369 наименований.
Анализ геомеханических процессов в углепородном массиве при управлении горным давлением неизвлекаемыми ленточными угольными целиками
Характер геомеханических процессов в массиве горных пород зависит от различных горно-геологических факторов и оказывает существенное влияние на устойчивость ленточных угольных целиков /122/.
При отработке пластов пологого и наклонного падения длинными комплексно-механизированными очистными забоями подрабатываемая толща испытывает прогибы и деформации. Над выработанным пространством формируется зона полных сдвижений, форма которой зависит от угла падения отрабатываемого угольного пласта, а размеры определяются размерами выработанного пространства и глубиной отработки. В зоне полных сдвижений формируются дополнительные трещины и пустоты расслоения, которые способствуют возникновению в кровле отрабатываемого пласта зон пластических деформаций /126/ и изменению физико-механических свойств горных пород в пределах каждого слоя анизотропного массива. Это, в конечном итоге, приводит к перераспределению напряжений и деформаций в массиве горных пород, росту вертикального и снижению горизонтального опорного давления длинного очистного забоя, которое передается на угольные целики. Если несущая способность целика ниже максимальной опорной нагрузки, то он разрушается /127/.
Смещения пластичных пачек и прослойков угольного пласта в сторону выработанного пространства, которые увлекают за собой более хрупкие пачки пласта, являются причиной образования "трещин отжима", параллельных очистному забою. При этом, чем ниже прочность угля и породных прослойков в отрабатываемом пласте, то есть чем более они подвержены пластическим деформациям, тем интенсивнее процесс выдавливания /120, 129-135, 137/. В этих условиях, краевые участки угольных целиков подвергаются интенсивному деформированию, а при малой ширине целиков - разрушаются /139/. То есть, для обеспечения устойчивого состояния оконтуривающих подготовительных выработок возникает необходимость увеличения ширины межучастковых ленточных угольных целиков.
Вместе с тем, установлено, что периодическое оставление в выработанном пространстве широких ленточных угольных целиков приводит к значительным неравномерностям осадок кровли и оказывает существенное влияние на величину вертикальных сдвижений с разрывом сплошности подрабатываемой толщи /48, 138, 140, 141/. В этих условиях, возникает опасность динамических проявлений горного давления при переводе горных работ на подработанные и надработанные пласты. То есть угольные целики являются штампами и концентраторами напряжений при отработке свиты пластов. С другой стороны, обрушенные породы непосредственной кровли обладают несущей способностью и подпирают целики с боков. При этом целики и в разрушенном состоянии способны сохранять свою несущую способность, что приводит к снижению деформаций и напряжений в массиве горных пород.
Таким образом, ширина угольных целиков должна быть минимальной для исключения возможности динамических проявлений горного давления, достаточной для обеспечения их устойчивого состояния и безремонтного поддержания оконтуривающих подготовительных выработок. Следовательно, расширение области применения многоштрековых технологических схем интенсивной разработки пологих и наклонных пластов связано с определением минимальной ширины предельно устойчивых межучастковых ленточных угольных целиков.
Из выполненного анализа следует, что методы расчета ширины угольных целиков должны учитывать следующие горно-геологические и горнотехнические факторы: физико-механические характеристики и геометрические параметры слоев горных пород вмещающего анизотропного массива; мощность, структура, прочностные и деформационные параметры и угол падения отрабатываемого пласта; глубина разработки; форма и размеры выработанного пространства и зоны полных сдвижений над ним. В этой связи, следующий раздал работы посвящен оценке эффективности применения существующих методов для геомеханического обоснования параметров предельно устойчивых ленточных угольных целиков.
Значительный вклад в развитие методов определения параметров угольных целиков внесли такие ученые, как С.Г. Авершин, К.П. Бетанели, Ф.П. Бублик, А.А. Вопилкин, А.П. Герман, А.Н. Динник, Ж.С. Ержанов, Г.А. Иванов, К.И. Иванов, К. Кегель, А.Е. Клыков, Г.Н. Кузнецов, Ц.О. Левина, Ю.М. Либерман, М.А. Липсон, И.З. Лысенко, Е.А. Мельников, С.Г. Михлин, А.И. Мусин, М.П. Нестеров, A.M. Пеньков, М.М. Протодьяконов, К.В. Руппенейт, В.Д. Слесарев, В.В. Соколовский, В.Ф. Трумбачев, К.К. Тулебаев, П.М. Цимбаревич, Л.Д. Шевяков, Е.И. Шемякин, Д.И. Шерман, Г.И.Ширко и др./2-43, 45-46, 53, 62-70, 109-115, 221-224, 261-263, 268, 269, 271, 310-312, 316, 327, 337-340, 343, 344, 347-352 и др./. Ими на основании положений теорий упругости, пластичности, запредельного деформированного состояния, прочности, предельного равновесия, ползучести и др. /28,29,34,35,64,65,321-331,357и др./ разработаны методы определения ширины и параметров напряженно-деформированного состояния угольных целиков с учетом их однородности /110,257/ и анизотропии /222,223/, жесткости /365,366/ и податливости /112,363/. В конечном итоге, изложенные в их работах методы сводятся к сравнению действующей на угольные целики нагрузки со стороны налегающей толщи горных пород с их предельной несущей способностью.
В методах, основанных на положениях линейной теории упругости нагрузка на целик, обусловленная весом породного столба от кровли отрабатываемого угольного пласта до дневной поверхности сравнивается с его устойчивостью, которая определяется пределом прочности угля на одноосное сжатие асж, т/м /66-70, 148/. То есть, целик устойчив если выполняется условие вида Н - глубина ведения горных работ, м. К. Кегель /149/ ввел в соотношение (1.1), угол падения залежи, Л.Д. Шевяков /261/ - коэффициент формы, зависящий от соотношения высоты и ширины целика, а М.Стаматиу /1/ - поправочные коэффициенты, учитывающие рост сопротивления образцов горных пород кубической формы сжатию с увеличением размеров их граней. Однако, при этом рассматривается равномерное распределение напряжений по ширине целика и игнорируются горизонтальные и касательные составляющие напряжений в целике.
Разработка методики корректировки схем дискретизации исследуемой области в массиве горных пород по результатам физического моделирования
В настоящей работе, для изучения закономерностей изменения параметров напряженно-деформированного состояния ленточных угольных целиков, осуществляется дискретизация исследуемой области углепородного массива с учетом структуры, угла падения и геометрических параметров слоев горных пород и угольного пласта, а также, с учетом геометрических параметров оконтуривающих подготовительных выработок, выработанного пространства и угольных целиков и решается сситема дифференциальных уравнений механики горных пород для каждого элемента дискретизации. Таким образом, осуществляется вычисление геомеханических параметров в исследуемой области массива горных пород с применением алгоритма МКЭ, реализованного на ЭВМ (рис.2.4). Согласно рис.2.4, реализуется следующая последовательность выполнения расчетных процедур.
Ввод исходных данных на внешние носители памяти ЭВМ осуществляется в диалоговом режиме с экрана дисплея. Для этого создан файл mkelpol.dat, представляющий собой совокупность различных горногеологических и горнотехнических данных о исследуемой области углепородного массива, организованных в формате колонки-ряды в виде нескольких блоков.
В первом блоке содержатся следующие данные: принятое число вертикальных линий и линий, ориентированных по плоскостям напластования слоев горных пород, для дискретизации иследуемой области массива; глубина разработки; угол падения отрабатываемого пласта и слоев горных пород; границы исследуемой области в массиве в соответствии с геометрическими параметрами подготовительных выработок, целиков и выработанного пространства.
Второй блок данных представлен координатами кровли слоев горных пород исследуемой области массива. Таким образом, дискретизация исследуемой области массива осуществляется с учетом мощности слоев горных пород, угольного пласта и породных прослойков в нем.
Третий блок данных представляет собой совокупность сведений о физико-механических свойствах горных пород и угля отрабатываемого пласта. В соответствии с реализованной схемой дискретизации вводятся модуль упругости и коэффициент крепости горных пород и угля.
В четвертом блоке вводятся координаты контуров подготовительных выработок, целика, выработанного пространства и зоны полных сдвижений над ним, а также координаты вертикальных секущих линий для дискретизации исследуемой области массива.
Аналогичный файл данных (krugmkel.dat) создан для исследований физической модели на ЭВМ. С учетом выше изложенного, осуществляется компьютерная дискретизация схем физического моделирования. При решении системы дифференциальных уравнений вычисляются деформации для каждого элемента дискретизации. Осуществляется вариация шага дискретизации схем физического моделирования, выбор размеров и направления ориентирования элементов дискретизации относительно слоев эквивалентных материалов, координат контуров подготовительных выработок, целика, выработанного пространства и зоны полных сдвижений.
Файл mkelpol.dat интерполируется SURFER для автоматического машинного построения и графического представления схемы дискретизации. Далее для каждого элемента дискретизации определяются модуль упругости и коэффициент крепости. Осуществляется автоматическое присвоение физико-механических характеристик эквивалентных материалов элементам дискретизации и осуществляется вычисление матриц жесткости и матриц напряжений для каждого элемента. На следующем этапе осуществляется сборка глобальной матрицы жесткости, решается система линейных дифференциальных уравнений и определяются геомеханические параметры в каждом элементе. Реализация последовательности исследований физической модели на ЭВМ позволяет корректировать схемы дискретизации с целью сокращения их размерности с сохранением требуемой точности расчетов. Последнее проверяется путем сравнения рассчитанных на ЭВМ и измеренных при физическом моделировании параметров. Оптимальные параметры элементов дискретизации исследуемой области, полученные при исследовании физической модели на ЭВМ, используются при изучении закономерностей изменения геомеханических параметров в реальных условиях анизотропного углепородного массива. При этом, осуществляется выполнение изложенной последовательности расчетов для каждого элемента дискретизации.
Ранжирование горно-геологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства по результатам физического моделирования
Исследования физической модели для оценки влияния горногеологических факторов и геометрических параметров целиков и выработанного пространства на изменение параметров деформирования отрабатываемого угольного пласта и слоев горных пород проводились в следующей последовательности.
На первом этапе на сконструированном стенде воспроизводился вариант физической модели нетронутого массива горных пород.
Далее, на лицевой поверхности модели в слое, имитирующем "отрабатываемый" угольный пласт, мелом наносились размеры воспроизводимых в исследуемом варианте физической модели, подготовительных выработок, целиков и выработанного пространства и, в соответствии с заранее разработанной схемой, устанавливались марки с номером и точкой для снятия вертикальных и горизонтальных отсчетов. Схема расположения марок представлена на рис. 3.4.
На следующем этапе, теодолитом марки Т2, по шкалам, расположенным на бортах и основании стенда (рис.3.1) снимались первоначальные вертикальные и горизонтальные отсчеты, соответствующие месту расположения марки на лицевой поверхности модели до ее отработки.
На четвертом этапе из слоя эквивалентного материала, имитирующего "отрабатываемый" угольный пласт, по заранее расставленным меткам, вынимались участки, соответствующие размерам воспроизводимых в физической модели подготовительных выработок и выработанного пространства, и вновь снимались отсчеты по вертикальной и горизонтальной шкалам стенда. Вычислялась разница между первоначальными отсчетами и отсчетами, снятыми после "отработки" модели, соответствующая искомой величине смещений контуров имитируемых подготовительных выработок, целиков, выработанного пространства и слоев эквивалентного материала физической модели. По полученным данным определена конвергенция кровли и почвы "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала.
По результатам физического моделирования сформирована база данных параметров деформирования имитируемых подготовительной выработки, целика и слоев эквивалентного материала и установлены эмпирические зависимости их изменения путем определения уравнений парной регрессии.
Для определения типа функции уравнений парной регрессии были построены графики смещений и конвергенции, соответствующие фактически полученным при испытаниях физических моделей параметрам. Методом наименьших квадратов проведено их параболическое выравнивание в зависимости от расстояния экспериментальной марки от оси целика. Определен вид функции уравнений парной регрессии, описывающих характер распределения смещений в слоях эквивалентного материала и по периметру имитируемых подготовительных выработок и целиков. Полученные уравнения парной регрессионной зависимости распределения смещений и конвергенции по ширине целика имеет вид где Гв - вертикальные смещения экспериментальной марки, мм; n - расстояние экспериментальной марки от оси целика, мм;
Определены эмпирические коэффициенты уравнений (3.4) а, Ь и с и коэффициенты регрессии R, определяющие функциональность полученных зависимостей и степень соответствия рассчитанных по формуле (3.4) смещений и конвергенции, фактически полученным в лабораторных условиях.
Высокий коэффициент регрессии, изменяющийся в диапазоне от 0,70 до 0,99 свидетельствует о том, что полученные уравнения адекватны результатам лабораторных исследований физических моделей. По полученным уравнениям построены графики функций распределения вертикальных смещений и конвергенции и установлены закономерности изменения параметров деформирования "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала и контура имитируемого целика (рис. 3.5).
Вертикальные смещения контура целика в кровле "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала и в почве, а также, величина конвергенции кровли и почвы по ширине целика распределяются не равномерно. Наиболее интенсивному деформированию подвержены краевые области целика со стороны выработанного пространства где наблюдаются максимальные вертикальные смещения контура целика. Минимальным деформациям подвержена средняя часть целика. В краевых областях со стороны подготовительной выработки деформирование контура целика интенсивнее чем в средней его части. В то же время, вертикальные смещения и конвергенция ниже чем в краевой зоне целика со стороны выработанного пространства.
В этой связи, для изучения закономерностей влияния различных факторов на деформирование имитируемого в физической модели угольного целика, выделены характерные сечения, ориентированные по высоте целика и расположенные в краевых частях и середине по его ширине (рис. 3.6).
Установлено, что деформации имитируемого целика экспоненциально увеличиваются с ростом геометрических размеров выработанного пространства. При этом, интенсивнее деформирование краевой области целика со стороны выработанного пространства (линия 1 на рис. 3.7,а) по сравнению с серединой и краевой областью, примыкающей к подготовительной выработке (линии 2,3 на рис.3.7,а). При увеличении мощности "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала характер распределения деформаций по ширине целика изменяется. Наблюдается снижение величины конвергенции в его средней части (линия 2 на рис.3.7,6). В краевых областях целика (линии 1,3 на рис.3.7,6) тенденция увеличения параметров деформирования с ростом размеров выработанного пространства сохраняется. При этом, конвергенция контура целика при мощности "отрабатываемого" слоя 34мм больше по сравнению с конвергенцией при мощности 17 мм (рис.3.7, а, б).
Исследование влияния структуры строения отрабатываемого пласта на распределение напряжений и деформаций в ленточных угольных целиках
Изменение высоты целика оказывает влияние также на изменение характера распределения горизонтальных смещений как по его ширине, так и по мощности "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала.
При высоте целика 10 мм наблюдается выдавливание его краевых частей в кровле "отрабатываемого" слоя в стороны подготовительной выработки и выработанного пространства. При увеличении высоты целика до 20 мм интенсивность выдавливания возрастает в зоне влияния выработанного пространства и снижается в области, граничащей с подготовительной выработкой. При дальнейшем увеличении высоты целика наблюдается выдавливание кровли "отрабатываемого" слоя по всей ширине целика в сторону выемочной выработки, горизонтальные смещения возрастают в 5 раз (рис. 3.10,в).
Иной характер имеет изменение горизонтальных смещений контура целика в почве "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала. Увеличение высоты целика способствует росту интенсивности смещений почвы слоя как в сторону выработанного пространства, так и в сторону подготовительной выработки. Наблюдается повышение интенсивности растяжения основания целика (рис. 3.10,г).
Таким образом, увеличение мощности "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала, а, следовательно, высоты целика способствует развитию деформационных процессов, как по его высоте, так и по ширине. В области целика, граничащей с подготовительной выработкой увеличение интенсивности деформирования отрабатываемого пласта оказывает влияние на снижение ее устойчивости, связанной с ростом деформаций крепи. В этой связи, в работе для дискретизации реального массива горных пород в качестве минимального принят шаг дискретизации отрабатываемого пласта, соответствующий ширине крепи подготовительной выработки (0,1м).
Исследования закономерностей изменения смещений слоев эквивалентного материала от воспроизводимой глубины ведения горных работ позволили установить следующие закономерности. Моделировалась высота физической модели в диапазоне от 500мм до 2000мм, что в соответствии с принятым масштабом физического моделирования соответствует глубине расположения отрабатываемого угольного пласта 50-200м (рис. 3.11).
Установлено, что увеличение высоты модели способствует повышению интенсивности деформирования контура целика в кровле "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала. Увеличение глубины в 4 раза способствует прямо пропорциональному росту вертикальных смещений (рис. 3.11,а).
Контур целика в почве "отрабатываемого" слоя деформируется не равномерно. Наблюдаются интенсивные сжимающие деформации в средней части целика и области, граничащей с выработанным пространством и растягивающие со стороны подготовительной выработки. С увеличением воспроизводимой в физической модели глубины ведения горных работ интенсивность деформирования возрастает. Так, при "глубине" расположения "отрабатываемого" слоя 500мм вертикальные смещения средней части контура целика в почве слоя составляли порядка 0,2 мм, а при "глубине" 2000мм увеличились в 5 раз (рис. 3.11,6).
Увеличение "высоты" модели оказывает существенное влияние на перераспределение горизонтальных смещений имитируемого целика (рис.3.11,в,г). При "глубине" 500мм наблюдается выдавливание слоя эквивалентного материала в стороны подготовительной выработки и выработанного пространства по всему периметру целика. При ее увеличении до 2000мм интенсивность деформирования возрастает. Таким образом, увеличение "глубины" расположения "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала способствует активизации деформирования целиков.
В этой связи, для изучения закономерностей изменения параметров напряженно-деформированного состояния угольных целиков в условиях реального массива горных пород принято границы схем дискретизации определять с учетом глубины расположения отрабатываемого пласта.
Аналогичное влияние на изменение смещений контура целика оказывает увеличение размеров выработанного пространства, способствующее росту горизонтальных и вертикальных (рис.3.12) смещений "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала по всему периметру целика. Проведены исследования влияния неоднородности строения "отрабатываемого" слоя на изменение параметров деформирования целика. При этом, моделировался однородный пласт без породных включений, пласт с крепким и слабым прослойком (рис.3.13). Установлено, что включение породного прослойка, модуль упругости которого составляет 0,78 МПа, что в 6 раз выше больше модуля упругости эквивалентного материала, имитирующего уголь "отрабатываемого" слоя, способствует повышению устойчивости целика. Об этом свидетельствует снижение вертикальных и горизонтальных смещений по всему периметру целика. Снижение интенсивности деформирования обусловлено увеличением интегральной прочности "отрабатываемого" слоя эквивалентного материала, что является причиной увеличения сопротивляемости материала сжимающим и растягивающим напряжениям, действующим со стороны вмещающего массива.
При моделировании "слабого" прослойка, модуль упругости которого ниже модуля упругости эквивалентного материала "отрабатываемого" слоя, наблюдается обратный процесс, т.е. интенсивность деформирования контура целика, по сравнению со слоем без включений, увеличивается.
