Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ геотехнологических ситуаций и методов геотехнологической оценки системы крепь - закладочный массив - массив при ведении очистных работ 11
1.1. Гипотетические представления о процессах состояния кровли 11
1.2. Основные критерии влияния подземной разработки на поверхностные ландшафты и подрабатываемые массивы ...18
1.3.Технологии, обеспечивающие снижение экологической нагрузки на территории 20
1.4. Технологии очистной выемки с закладкой выработанного пространства 26
1.5. Анализ существующих расчетных схем механизированных крепей 39
1.6. Выводы по главе 55
2. Разработка и обоснование технологий ведения очистных работ с закладкой выработанных пространств 57
2.1. Вводные положения 57
2.2. Геомеханическое обоснование параметров закладки выработанных пространств 59
2.3. Принципиальные технологические схемы комплексно-механизированной выемки с закладкой выработанных пространств ...68
2.4. Формирование и доставка закладочного материала 75
2.5. Технологические свойства пакетированного закладочного массива 78
2.6. Вводы по главе 80
3. Разработка математической модели напряженно- деформированного состояния крепей очистных забоев 82
3.1. Вводные положения 82
3.2. Расчетная модель механизированных крепей 88
3.2.1. Требования к модели расчета 88
3.2.2. Обоснование расчетной схемы 92
3.2.3. Уравнение силовых и кинематических факторов типовых участков элемента расчетной схемы секции крепи 93
3.3. Уравнения силовых и кинематических факторов для типового элемента секции механизированной крепи 97
3.4. Математическая модель напряженно-деформированного состояния элемента крепи 100
3.5. Уравнение совместности перемещений элементов механизированной крепи 101
3.6. Уравнение совместности перемещений элементов крепи и вмещающего массива 104
3.7. Граничные условия 106
3.8. Обобщенная математическая модель напряженно деформированного состояния механизированной крепи ПО
3.9. Выводы по главе 111
4. Методика расчета и исследования напряженно деформированного состояния крепей очистных забоев при различных условиях работы 113
4.1. Общие положения 113
4.2. Алгоритм расчета напряженно деформированного состояния механизированных крепей 114
4.3. Программа исследования статико-кинематических состояний и предельных нагружений механизированных крепей 116
4.4. Подготовка исходных данных 120
4.4.1 Основные задачи и отличительные возможности 120
4.4.2. Разработка расчетной схемы 121
4.4.3. Подготовка деформационных характеристик элеменотов расчетной схемы 122
4.4.4. Задание внешних возмущающих факторов 123
4.5 .Ввод исходных данных 123
4.5.1. Ручной режим ввода исходных данных 123
4.5.2. Автомагазированный режим ввода исходных данных 127
4.6. Апробация математической модели расчета механизированных крепей 144
4.7. Исследование несущей способности элементов механизированной крепи 148
4.8. Исследование влияния реакций отпора на работу механизированной крепи 150
4.9. Выводы по главе 153
5. Обоснование параметров пакетированной закладки выработанных пространств 155
5.1. Обоснование параметров очистной выемки с закладкой выработанных пространств 155
5.2. Исследование взаимодействия механизированной крепи с породами кровли 163
5.3. Исследование взаимодействия механизированной крепи с породам и кровли 166
5.4. Выводы по главе 173
Заключение 175
Список использованных источников 178
- Основные критерии влияния подземной разработки на поверхностные ландшафты и подрабатываемые массивы
- Принципиальные технологические схемы комплексно-механизированной выемки с закладкой выработанных пространств
- Уравнение силовых и кинематических факторов типовых участков элемента расчетной схемы секции крепи
- Программа исследования статико-кинематических состояний и предельных нагружений механизированных крепей
Введение к работе
Актуальность работы. В угольных бассейнах страны при подземной разработке месторождений приоритетными остаются технологии, базирующиеся на комплексно-механизированной выемке длинными очистными забоями. При этом отмечается, что подземная добыча угля может быть рентабельной при нагрузке на очистной забой не менее 2-3 млн т в течение одного года или не менее 8-15 тыс. т угля в сутки. Обеспечение таких показателей невозможно без решения целого комплекса проблем, связанных с совершенствованием существующих технологий или процессов подземной угледобычи и очистных комплексов, адаптированных к реальным горно-геологическим условиям.
ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского применительно к длинным очистным забоям была разработана единая универсальная классификация кровель по степени управляемости, в соответствии с которой все кровли делятся на три класса: легкоуправляемые, среднеуправляемые и трудноуправляемые. Наибольшей степенью по трудности управления обладают трудноуправляемые кровли, объединяющие и неустойчивые непосредственные кровли (сюда можно отнести также мощные массивы, сложенные слабыми породами, как в Подмосковном бассейне), и труднообрушающиеся основные, а также кровли, представленные обоими типами одновременно. Так, например, анализ геологического строения вмещающих толщ показывает, что трудноуправляемую кровлю в Кузнецком бассейне имеют около 76 % угольных пластов, в Печорском бассейне этот показатель достигает 93 % . Интенсивность проявлений горного давления приводит к снижению безопасности горных работ, дополнительным обнажениям кровли, стимулирует процессы вывалообразования и отжима, горных ударов и внезапных выбросов угля и газа, увеличения статических и возникновения динамических нагрузок на крепь, а в итоге вызывает снижение нагрузки на очистной забой. Эффективность использования современных очистных комплексов уменьшается в 2 раза и более.
В общем комплексе возникающих при этом задач вопросы количественной оценки закономерностей изменения геомеханических процессов вокруг очистных выработок нуждаются в дальнейшей проработке. В настоящее время, когда проведение лабораторных и натурных экспериментов весьма затруднительно, приоритетными являются исследования, базирующиеся на применении универсальных математических моделей и имитационном моделировании, обеспечивающих адекватное обоснование разрабатываемых технологий.
Все это указывает на то, что разработка технологий и создание расчетных методов обоснования параметров процессов очистной выемки комплексно-механизированными забоями в сложных горно-геологических условиях являются актуальными задачами.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей геомеханических процессов в системе «механизированная крепь - углепородный массив - закладочный массив» для обоснования технологических схем ведения очистных работ и параметров пакетированной закладки выработанных пространств, обеспечивающих снижение интенсивности проявления вторичных осадок основной кровли для повышения эффективности работы очистных забоев.
Идея работы заключается в том, что снижение интенсивности проявления вторичных осадок основной кровли обеспечивается за счет управления параметрами пакетированной закладки выработанных пространств.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
основным управляемым параметром для снижения проявлений горного давления в комплексно-механизированных очистных забоях при закладке выработанных пространств является эффективная мощность пласта, которая характеризует величину свободного пространства между зависающей кровлей и уплотненным закладочным массивом;
оценку распределения усилий в несущих элементах механизированной крепи при ее исследовании в режиме заданных нагрузок необходимо производить с учетом реактивного отпора пород, характеризующего реальную схему контактного взаимодействия крепи с массивом;
эффективная мощность пласта при пакетированной закладке выработанных пространств зависит от вынимаемой мощности пласта, схемы возведения и габаритов закладочных пакетов, плотности их установки и коэффициента усадки закладочного материала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны технологические схемы ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях с пакетированной закладкой выработанных пространств, позволяющие снизить интенсивность проявления вторичных осадок основной кровли;
усовершенствована расчетная модель крепей очистных забоев, отличающаяся учетом их контактного взаимодействия с вмещающими породами и позволяющая производить оценку силовых и деформационных характеристик в элементах крепи любого конструктивного исполнения в режиме заданных нагрузок;
получены зависимости изменения дополнительных усилий в несущих элементах крепей поддерживающего типа, вызванных весом закладочных пакетов при их автоматической доставке по завальным козырькам, длина которых выбирается в зависимости от шага подвигания очистного забоя;
установлены закономерности изменения эффективной мощности пласта от его вынимаемой мощности, габаритов и плотности установки закладочных пакетов, а также от коэффициента усадки закладочного материала, позволяющие обосновывать схемы установки закладочных пакетов в выработанных пространствах.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используются: обобщение результатов исследований проявлений горного давления в очистных выработках и работы механизированных крепей; научный анализ методов расчета и проектирования крепей очистных забоев; численный метод начальных параметров; имитационное моделирование состояния механизированных крепей; аналитическое исследование геомеханических процессов в массивах пород при ведении очистных работ с закладкой выработанных пространств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; использованием базовых положений классического метода определения типа кровли по управляемости; решениями частных задач расчета крепежных конструкций, апробированных применением методов строительной механики и сопротивления материалов (отклонение не выше 4-5 %); удовлетворительным совпадением результатов при решении контрольных задач с результатами расчетов других авторов (отклонение не превышает 5-7 %).
Научное значение работы заключается в усовершенствовании расчетной модели механизированных крепей очистных забоев и установлении закономерностей изменения геомеханических процессов в системе «механизированная крепь - углепородный массив - закладочный массив» при ведении очистных работ с пакетированной закладкой выработанных пространств в зависимости от широкого диапазона геотехнологических свойств вмещающих пород.
Практическое значение работы состоит в создании методического обеспечения многовариантного моделирования силовых и деформационных характеристик в элементах механизированных крепей очистных забоев любого конструктивного исполнения; в разработке технологических схем ведения очистных работ с пакетированной закладкой выработанных пространств; в техническом решении, обеспечивающем доставку и установку закладочных пакетов в выработанных пространствах; в создании алгоритма обоснования параметров пакетированной закладки по критерию управляемости кровли.
Реализация работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе, а также включены в методическое обеспечение комплекса учебных дисциплин по направлению «Горное дело» кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 2-й Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений минерального сырья Российской Федерации» (г. Тула, 1999 г.), 1-й Международной научно-практической конференции «Технологические проблемы разработки месторождений минерального сырья в сложных горно-геологических условиях» (г. Тула, 2000 г.), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2001 г.), 2-й Международной научно-практической конференции «Геотехнологии: проблемы и перспективы» (г. Тула, 2001 г.), 3-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем» (г. Тула, 2001 г.), cтуденческой конференции «Ресурсы. Технологии. Безопасность» (г. Тула, 2001 г.), 2-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г., 2005 г., 2007-2009 гг.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2002-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, включая 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 83 рисунка, 7 таблиц, список использованной литературы из 146 наименований.
Основные критерии влияния подземной разработки на поверхностные ландшафты и подрабатываемые массивы
Закладочные материалы должны удовлетворять, во-первых, общим требованиям независимо от способа возведения закладочного массива, во-вторых, требованиям, специфическим для каждого способа ведения закладочных работ.
Общие требования, предъявляемые к закладочным материалам. 1. Закладочный материал должен быть дешевым, так как его стоимость является одной из основных составляющих затрат при ведении закладочных работ. Для удешевления закладочного материала необходимо по возможности применять местные закладочные материалы с тем, чтобы исключить дорогостоящие перевозки больших объемов закладочного материала. Снижению стоимости закладочных материалов способствует полная механизация всего комплекса работ по добыче и переработке (подготовке) закладочного материала. 2. Запасы закладочного материала должны иметься в количестве, обеспечивающем потребность шахт в течение определенного периода времени. 3. Закладочный материал не должен выделять вредных газов в выработанном пространстве и не должен самовозгораться. 4. Закладочный материал в процессе транспортирования должен минимально изнашивать трубопроводы, ленты конвейеров и метательных машин, пневматические машины. 5. Закладочный материал, будучи уложен в выработанном пространстве, должен образовывать плотный и воздухонепроницаемый закладочный массив, дающий небольшую усадку под давлением. Кроме изложенных основных требований, к закладочному материалу предъявляются частные требования в зависимости от способа возведения закладочного массива. 1. При самотечной закладке к закладочному материалу предъявляются требования соблюдения определенной крупности кусков (не более 200 мм). Увеличение размера кусков закладочного материала может вызвать нарушение призабойной крепи в результате ударов при падении кусков закладочного материала. 2. При механической закладке закладочный материал должен состоять из крупнокусковатых частиц размером 50—100 мм и более мелких частиц размером от 0—3 до 20—50 мм. Крупные куски производят трамбующее воздействие на закладочный массив и обеспечивают тем самым более высокую его плотность. З.При пневматической закладке закладочный материал не должен вызывать значительного пылеобразования в выработанном пространстве в период возведения закладочного массива. 4. При гидравлической закладке закладочный мате риал должен образовывать закладочный массив с высокой степенью водоотдачи и обладать устойчивостью в отношении размокания. Крупность кусков закладочного материала желательно иметь равной 5—60 мм разнородных по своему составу закладочных материалов, для гидравлической закладки приведен ниже. Закладочными материалами могут быть отходы производства: порода из углемоек, котельные и доменные шлаки, перегоревшие породы из старых отвалов (террикоников). Закладочные материалы могут специально добываться на закладочных карьерах: песок с примесями или без примеси глины; глина, используемая в качестве прессованных брикетов или в виде добавки к основному материалу; дробленые коренные породы, используемые в качестве основного закладочного материала. Как указывалось, большинство исходных закладочных материалов перед употреблением требует обработки, которая обычно заключается в дроблении и грохочении с последующим смешиванием различных сортов. Смесь закладочного материала, состоящая из определенного процентного соотношения кусков различной крупности или из различных закладочных материалов, носит название закладочной шихты, а процесс образования такой смеси называется шихтованием. Преимуществами спуска закладочного материала по трубам являются: непрерывность потока закладочного материала с поверхности до выработанного пространства (при доставке закладочного материала в шахте конвейерами), а также простота и незначительная трудоемкость работ по спуску (по сравнению со спуском в клетях). Недостатками этого способа являются: значительное измельчение закладочного материала, износ породоспускных труб и опасность их закупорки при спуске глинистых закладочных материалов. Спуск закладочного материала в шахту в клетях и скипах. При спуске закладочного материала в клетях на поверхности шахтные вагонетки загружаются закладочным материалом и в клетях спускаются в шахту. В околоствольном дворе эти вагонетки формируются в составы и по подземным выработкам доставляются к месту укладки закладочного материала. При спуске закладочного материала в скипах появляется необходимость устройства пунктов загрузки скипов на поверхности и разгрузки скипов в около ствольном дворе. Наличие пунктов погрузки и разгрузки, сложность устройства разгрузочного бункера в околоствольном дворе, характеризуют способ спуска закладочного материала в скалах с отрицательной стороны. Спуск закладочного материала в шахту в клетях целесообразно применять на глубину свыше 300—350 м. Механическая закладка — это такой способ закладочных работ, при котором закладочный материал, тем или иным путем доставленный до выработанного пространства, размещается там специальными закладочными машинами. Характерными особенностями механической закладки являются нахождение закладочной машины непосредственно в призабойном пространстве и перемещение ее по мере возведения закладочного массива, а также необходимость непрерывной доставки к закладочной машине закладочного материала в пределах выемочного поля. Известны различные конструкции закладочных машин, применяемых для механической закладки. Заполнение выработанного пространства закладочным материалом при механической закладке может производиться различными способами: 1) забрасыванием породы в выработанное пространство со скоростью, достаточной для свободного полета и уплотнения породы при падении (метательная закладка); 2) укладкой породы в выработанное пространство и с последующим уплотнением путем трамбования или прессования скреперными, трамбующими или прессующими закладочными машинами.
Принципиальные технологические схемы комплексно-механизированной выемки с закладкой выработанных пространств
В ходе дальнейших исследований необходимо было определить минимально допустимое сопротивление крепей и уточнить внешние исходные нагрузки применительно к различным горно-геологическим условиям.
Эти исследования продолжались Бреннером В.А., Будником В.М., Бурчаковым А.С., Грицаюком Б.И., Зиглиным Л.А., Каретниковым В.Н. [40, 41, 42, 45], Харитоновым Н.И., Хориным В.Н., Кузнецовым СТ., Савенко Ю.Ф., Сальниковым В.Г. и др. в забоях с крепями "Мосбасс" и очистными комплексами [8, 9, 21]. По результатам исследований уточнялись внешние исходные нагрузки и порядок расчета на прочность и устойчивость механизированных крепей.
Дальнейшие исследования проявлений горного давления при работе крепей 1МК и 2МК в различных бассейнах страны позволили получить данные для корректировки руководящего материала по выбору исходных параметров для создания и расчета на прочность основных узлов механизированной крепи. Расчет механизированных крепей на прочность и устойчивость проводился из условия, что внешние исходные нагрузки действуют статически, при этом выполнялся статический расчет усилий, возникающих в крепи и отдельных элементах, при различных геометрических положениях и силовых схемах нагружения. Расчет крепи рекомендовалось вести по предельным состояниям.
В то время был широко распространен метод определения нагрузок, обусловленных горным давлением, на основании опыта эксплуатации крепей в аналогичных горно-геологических условиях (метод аналогий). Однако получаемые на его основе результаты приводили не к самым лучшим конструктивным решениям с точки зрения экономии материалла, так как условия взаимодействия крепей с боковыми породами постоянно менялись. Теоретические расчеты нагрузок основываются на математическом описании механических моделей взаимодействия крепи с боковыми породами. Здесь можно рассматривать два отличных друг от друга подхода. В одном их них воздействие горных пород на крепь трактуется как внешняя к крепи нагрузка, величина которой не зависит от перемещения крепи. При другом подходе воздействия горных пород на крепь рассматриваются как внутренний фактор в статически неопределенной системе "крепь-породы" и определяется из равенства напряжений и перемещений на контакте крепи с породами. При первом подходе крепь работает в режиме заданой нагрузки, а при втором - режиме заданной деформации.
При конструировании шахтной механизированной крепи требуется провести два вида расчета - механической прочности элементов крепи и параметров гидросистемы. Все расчеты обычно ориентируют на статическую нагрузку без учета геодинамических явлений от обрушений кровли, пучения почвы и взрывных работ. В отраслевых нормах для обеспечения необходимой надежности механизированной крепи по критерию прочности всей секции и отдельных ее элементов принят метод расчета по допустимым напряжениям [22]. Сущность этого метода широко известна. Единственной мерой надежности механизированной крепи при ее применении является коэффициент запаса. При применении этого метода в расчетах механизированных крепей выявлены такие его недостатки как отсутствие четкой целевой ориентации расчета, рассмотрение расчетных и допускаемых напряжений как деформированных величин. Вместе с тем, многочисленные исследования прказали, что нагрузки на крепи и несущая способность их конструкций являются случайными величинами. Как следствие отмеченных недостатков, метод расчета по допускаемым напряжениям или нагрузкам препятствует созданию конструкций с оптимальными параметрами. Таким образом, существующие методы проектирования механизированных крепей задачу повышения долговечности позволяют решать одним путем - увеличением запаса (или, что все равно, увеличением исходной для проектирования нагрузки), задачу снижения металлоемкости - путем применения для несущих металлоконструкций сталей повышенной прочности. Эти пути ведут к решению поставленных задач - повышению долговечности и снижению металлоемкости, но нельзя гарантировать, что поставленные задачи будут решены наиболе экономичными путями. Основными причинами, не позволяющими в настоящее время спроектировать наиболее экономичную с точки зрения производства и эксплуатации крепь, молено считать отсутствие нормативных документов отрасли по исследованию режимов нагружения. Многочисленные исследования ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИМИ и бассейновых институтов по вопросу взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами сводятся (в области выбора исходных данных для проектирования механизированных крепей) к определению средних значений максимальных нагрузок на крепь в цикле выемки ископаемого и передвижения. При этом выбирается такое значение исходной нагрузки, по которому должны обеспечиваться параметры крепи, удовлетворяющие требованиям техники безопасности и гарантирующие наибольшую производительность как самой крепи, так и механизмов, с ней связанных.
Таким образом, единственным методом прочностного расчета механизированных крепей и их элементов в настоящее время является метод расчета по предельным состояниям с учетом показателей надежности [49].
Этот метод расчета механизированных крепей на прочность и устойчивость по предельным состояниям (или метод частных коэффициентов), основанный на изучении всех факторов, определяющих работу конструкции, позволяет преодолеть перечисленные выше трудности. Среди работ, посвященных применению метода предельных состояний к расчету механизированных крепей, необходимо отметить исследования Каретникова В.Н., Попова В.Л.,[85, 86] Сальникова В.Г., Харитонова Н.И. и др. [8, 9, 17, 18]. Нагрузки распределены по длине перекрытия и ограждения по криволинейному, а по ширине несущих элементов по прямолинейному закону. При этом нагрузка не лежит в центральной плоскости секции, а приложена с постоянным по длине элементов эксцентриситетом.
Нагрузка, действующая на несущие элементы секции, симметрична относительно центральной плоскости последней. Расчетная схема крепи при этом является плоской.
Чтобы учесть произвольный характер распределения нагрузки по длине перекрытия и ограждения интенсивность ее нормальной составляющей представлена в виде тригонометрического многочлена.
Большой вклад в развитие вероятностных методов расчета механизированных крепей на прочность и исследования их надежности внесли работы Бреннера В.А., Гетопанова В.Н., Грицаюка Б.И., Казьмина В.М., Мамонтова СВ., Хорина В.Н., Ягодкина Г.И.
Уравнение силовых и кинематических факторов типовых участков элемента расчетной схемы секции крепи
Матрица А и определяет влияние начальных параметров (силовых и кинематических факторов в начальном сечении) / - го звена на силовые и кинематические факторы в его конечном сечении. Матрица AjJ выражает влияние нормальных (по оси х) реактивных сил S , действующих в сечениях / - го звена, на силовые и кинематические факторы в его конечном сечении. Матрица Ajj выражает влияние касательных (по оси z ) реактивных сил Sk, действующих в сечениях і - го звена, на силовые и кинематические факторы в его конечном сечении. Матрица /У выражает силовые и кинематические факторы в конечном сечении і - го звена через силовые и кинематические факторы в начальном сечении ( /+ 1) - го звена. Матрица // выражает влияние на кинематические факторы их скачков (скачка угла поворота сечений относительно оси у , а также скачков линейных перемещений в направлении осей х , в соединении / - го звена крепи с(/+ 1)-м при переходе через соединение конца / - го звена с началом ( /+ 1) - го звена. Матрица А? / выражает влияние начальных параметров на величину нормальных перемещений К-го сечения / - го звена. Матрица A2J выражает влияние нормальных реактивных сил, действующих на / - е звено, на величину нормальных перемещений К-го сечения / - го звена. Матрица A2j выражает влияние тангенциальных реактивных сил, действующих на / - е звено, на величину нормальных перемещений К -го сечения / - го звена. Матрица А3 / выражает влияние начальных параметров на величину касательных перемещений К-го сечения / - го звена. Матрица A3J выражает влияние нормальных реактивных сил, действующих на / - е звено, на величину тангенциальных перемещений К-го сечения і - го звена. Матрица A3J выражает влияние тангенциальных реактивных сил, действующих на / - е звено, на величину тангенциальных перемещений К-го сечения і - го звена.
Таким образом, существующие методы проектирования механизированных крепей задачу повышения долговечности позволяют решать одним путем - увеличением запаса (или, что все равно, увеличением исходной для проектирования нагрузки), задачу снижения металлоемкости - путем применения для несущих металлоконструкций сталей повышенной прочности. Эти пути ведут к решению поставленных задач - повышению долговечности и снижению металлоемкости, но нельзя гарантировать, что поставленные задачи будут решены наиболе экономичными путями. Основными причинами, не позволяющими в настоящее время спроектировать наиболее экономичную с точки зрения производства и эксплуатации крепь, можно считать отсутствие нормативных документов отрасли по исследованию режимов нагружения. Многочисленные исследования ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИМИ и бассейновых институтов по вопросу взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами сводятся (в области выбора исходных данных для проектирования механизированных крепей) к определению средних значений максимальных нагрузок на крепь в цикле выемки ископаемого и передвижения. При этом выбирается такое значение исходной нагрузки, по которому должны обеспечиваться параметры крепи, удовлетворяющие требованиям техники безопасности и гарантирующие наибольшую производительность как самой крепи, так и механизмов, с ней связанных.
Анализ литературных источников показывает, что многовариантные исследования режимов работ секционных шахтных крепей с помощью математического моделирования на ЭВМ практически отсутствует. Отсутствуют универсальные автоматизированные алгоритмы расчета, построенные на обобщенных расчетных схемах и полностью использующие возможности современных ЭВМ. Существующие инженерные методы расчета секционных шахтных крепей являются весьма приближенными и в ряде случаев весьма трудоемкими, в них не используются результаты многофакторного имитационного моделирования, выполняемого на ЭВМ. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: - разработка математической модели для исследования статико кинематических состояний и несущей способности шахтных секционных крепей; разработка многофакторного универсального алгоритма для автоматизированного расчета шахтных секционных крепей на ЭВМ; - разработка рекомендаций по практическому расчету механизированных крепей на ЭВМ; - исследование закономерностей формирования усилий в соединительных элементах; - исследование закономерностей формирования внутренних усилий в несущих элементах механизированных крепей; Для решения поставленных в работе задач использованы следующие методы: - научное обобщение и анализ отечественных и зарубежных исследований в области расчета шахтных секционных крепей; аналитические исследования несущей способности шахтных секционных крепей с использованием усовершенствованных автором уравнений метода начальных параметров и разработанных на их основе алгоритма и программы расчета на ЭВМ; - аналитические исследования взаимодействия основания крепи с породами почвы. Известно, что одним из важнейших условий эффективной работы является надежное поддержание выработанного пространства. Последнее -прямое следствие применения наиболее совершенных методов расчета механизированных крепей основанных на расчетных схемах, наиболее полно отражающих картину взаимодействия крепи с боковыми породами. Указанное обстоятельство приводит к необходимости введения в расчетные схемы силовых факторов одного вида, а именно сосредоточенных сил, т.к. функции влияния в выражениях внутренних усилий и перемещений будут при этом одинаковой структуры.
Анализ взаимодействия крепей с боковыми породами показал, что крепи испытывают воздействие сил горного давления, как активных, так и реактивных - сил отпора горных пород, направленных как по нормали, так по касательной к поверхности несущих, оградительных и опорных элементов.
Программа исследования статико-кинематических состояний и предельных нагружений механизированных крепей
Подготовка исходной информации является предварительным и наиболее ответственным этапом при имитационном моделирования, от полноценности и корректности которого зависит достоверность конечных результатов.
Главными критериями для определения достаточного объема исходных данных является четкое представление об основных направлениях исследований конкретной ситуации и тщательная предварительная оценка геометрических и физических параметров элементов крепи, а также горногеологических и горнотехнологріческих условий работы механизированного комплекса.
Подготовка и анализ подобной базовой информации предопределяет возможность разработки конкретной расчетной схемы исследуемого объекта, которая в каждом случае отличается от общей, своими геометрическими характеристиками и граничными условиями.
Моделирование геомеханических процессов невозможно без формирования системы возмущающих факторов. В предлагаемой методике такая роль отводится вертикальным и горизонтальным силам, приложенным к верхним волокнам элементов расчетной схемы. Если задаются сосредоточенные силы, то они в модели в автоматическом режиме прикладываются к серединам участков элементов. Распределенные силы после их ввода интегрируются в сосредоточенные. Подготовка горизонтальных сил сопровождается заданием эксцентриситетов их приложения.
Для формирования параметров моделируемой области по длине в методике разработан единый подход задания исходной информации. Подготовка данных осуществляется для каждого участка, на который разбит элемент. Процесс разработки расчетной схемы предполагает определение и подготовку следующих параметров: - габариты моделируемого объекта; - общее число элементов в моделируемом объекте; - общее число участков разбиения объекта по его длине; - длины участков разбиения; - граничные условия. Габариты моделируемого объекта задаются длиной каждого элемента, причем возможно задание длин как реально существующих так и фиктивных элементов. Для формирования параметров моделируемой области в методике разработан единый подход задания исходной информации. Следует отметить, что участки не равны между собой, происходит последовательное разделение всей длины моделируемого объекта на участки. Высота или расстояние между верхняком и основанием определяется конструктивными особенностиями крепи (длиной гидропатронов, гидростоек, рычагов, а так же их углами наклона). Вся подготавливаемая на данном этапе исходная информация, включающая геометрические характеристики и граничные условия, не только однозначно определяет структуру расчетной схемы, но и служит основой для организации общей системы линейных уравнений напряженно-деформированного состояния моделируемого объекта, так как в конечном итоге формирует комплекс неизвестных начальных параметров и реакций связей между элементами. Особенности конкретной расчетной схемы характеризуются правильно выбранными граничными условиями. Для каждого элемента расчетной схемы необходимо произвести задание деформационных характеристик, к которым относятся жесткости элементов на сжатие и изгиб. Это необходимо для физической интерпритации моделируемого объекта. Необходимо отметить, что следующей важнейшей деформационной характеристикой являются жесткости связей, к которым относятся как гидростойки, гидропатроны так и рычаги. Они расчитываются по заданым геометрическим характеристикам и условным модулям деформации, которые могут быть определены на основании экспериментальных данных. В данной методике необходимо произвести ручное или выбоать автоматическое задание внешних возмущающих факторов Совокупность всех возмущающих факторов, воздействующих на элементы расчетной схемы, составляют, в общем случае, вертикальные и горизонтальные силы, приложенные в любой точке любого элемента рассматриваемой схемы. Формирование информации по эксцентриситетам приложения горизонтальных сил осуществляется вместе с заданием нагрузки. Данное программное обеспечение позволяет производить ручной расчет крепи, или осуществить расчет крепи из базы данных, которая удовлетворяет выбранным характеристикам работы. Для иллюстрирования формирования исходной информации рассмотрим пример с использованием двух вариантов подготовки и ввода данных (ручной и автоматизированный). Ручной режим ввода исходных данных предусматривает ввод данных в диалоговом режиме работы с компьютером, когда ввод определенной группы параметров (либо одного параметра) производится после появления соответсвующего запроса на экране дисплея. При данном диалоговом режиме намого снижается возможность появление ошибок, накопленных на этапе подготовки исходной информации.
