Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ геотехнических ситуаций и методов геомеханической оценки системы "крепь - массив" при ведении очистных работ 8
1.1. Основные факторы, влияющие на обоснование параметров механизированного крепления очистных забоев 8
1.1.1. Горно-геологические факторы 8
1.1.2. Горнотехнические факторы 13
1.2. Методы геомеханической оценки состояния вмещающих массивов вокруг очистных выработок 20
1.2.1. Анализ основных гипотез горного давления 20
1.2.2. Краткая характеристика численных методов расчета 24
1.2.3. Методология моделирования проявлений горного давления на основе стержневой аппроксимации массива и крепи 27
1.3. Методы расчета механизированных крепей очистных забоев 29
1.3.1. Графоаналитический метод расчета 29
1.3.2. Аналитические методы расчета 33
1.3.3. Расчеты напряженно-деформированного состояния крепей на базе метода начальных параметров 38
1.3.4. Основные параметры и компоновочные схемы крепей 43
1.4. Цель, идея и задачи исследований 47
1.5. Выводы по главе 1 48
2. Разработка математической модели напряженно- деформированного состояния крепей очистных забоев 50
2.1. Требования к модели расчета 50
2.2. Обоснование расчетной схемы 51
2.3. Уравнения силовых и кинематических факторов типовых элементов расчетной схемы 53
2.4. Учет типов узлов соединения элементов крепи между собой 59
2.5. Обобщенная модель напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев 66
2.6. Учет граничных условий 70
2.7. Выводы по главе 2 75
3. Методика расчета и исследования напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев любой конфигурации 76
3.1. Обпще положения 76
3.2. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев 77
3.3. Назначение и состав программного обеспечения 78
3.4. Подготовка исходных данных 86
3.4.1. Основные задачи и отличительные особенности 86
3.4.2. Разработка расчетной схемы 88
3.4.3. Подготовка деформационных характеристик элементов расчетной схемы 89
3.4.4. Задание внешних возмущающих факторов 89
3.5. Ввод исходных данных 90
3.6. Апробация математической модели расчета крепей очистных забоев любой конфигурации 94
3.7. Исследование несущей способности элементов механизированной крепи "Караганда 500" при статическом нагружении 103
3.8. Выводы по главе 3 118
4. Моделирование геомеханических процессов при совместной работе крепи и массива горных пород и обоснование параметров крепления очистных забоев 120
4.1. Методика моделирования геомеханических процессов вокруг очистных выработок в системе "крепь - слоистый массив" 120
4.1.1. Разработка расчетной схемы системы "крепь - слоистый массив" 120
4.1.2. Расчетная модель системы "крепь - слоистый массив" 121
4.1.3. Имитационное моделирование взаимодействия системы "крепь - слоистый массив" 126
4.1.4. Методическое обеспечение моделирования системы "крепь - слоистый массив" 127
4.2. Исследование работы основной кровли 147
4.3. Моделирование геомеханических процессов при совместной работе механизированных крепей с массивом горных пород 149
4.4. Методика автоматизированного проектирования параметров механизированного крепления очистных забоев 156
4.5. Выводы по главе 4 158
Заключение 160
Список использованных источников 163
Приложение 1. Результаты сравнительного анализа 172
Приложение 2. Линии влияния изгибающих моментов в сечениях элементов крепи "караганда 500" 184
- Методология моделирования проявлений горного давления на основе стержневой аппроксимации массива и крепи
- Уравнения силовых и кинематических факторов типовых элементов расчетной схемы
- Апробация математической модели расчета крепей очистных забоев любой конфигурации
- Имитационное моделирование взаимодействия системы "крепь - слоистый массив"
Введение к работе
Одной из главных задач угледобывающей отрасли остается проблема повышения эффективности добычи за счет создания новых или совершенствования уже известных технологий очистной выемки. Реализация данной задачи невозможна без решения целого комплекса проблем, связанных с обоснованием рациональных параметров технологий отработки выемочных участков и выбором высокопроизводительного оборудования, оперативно адаптирующегося к изменяющимся условиям. Анализ работы угольных шахт различного технического уровня показывает, что в настоящее время в России нагрузка на очистной забой составляет около 700 т/сут., что значительно ниже аналогичного показателя угледобывающих предприятий за рубежом. Существенное влияние на невысокие показатели добычи оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов с трудноуправляемыми кровлями, когда эффективность использования современных очистных комплексов снижается в два и более раз. Создания более совершенных методов обоснованного выбора параметров механизиро-ванного крепления очистных забоев требует и широкое разнообразие технологических схем, базирующихся на различных системах разработки.
Особую важность при этом приобретают вопросы количественной геомеханической оценки взаимодействия крепей с окружающим массивом пород. В современных условиях одним из основных методов исследований проявлений горного давления вокруг очистных выработок является многовариантное моделирование на ЭВМ при использовании универсальных расчетных моделей. Основная трудность, при этом, заключается в максимальном учете исходной информации, реально отражающей не только структуру, строение и физико-механические характеристики массивов, но и конструктивные особенности крепей. Решение этой задачи позволит получить результаты, имеющие высокую практическую ценность в различных геотехнологических ситуациях.
Крепи очистных выработок призваны обеспечить безопасные условия труда в забое и механизировать процессы управления кровлей и крепления. При этом конструкция крепи должна быть несложной в изготовлении, транспортабельной, удобной для обслуживания в период эксплуатации и надежной в работе. Сумма первоначальных затрат на изготовление, транспортировку и монтаж крепи и затрат на ее эксплуатацию за весь срок службы должна быть минимальной. Степень полноты удовлетворения крепью отмеченным требованиям во многом зависит от заложенных в нее параметров.
Основными выходными параметрами механизированной крепи, определяющими условия ее взаимодействия с кровлей, являются начальный распор, жесткость крепи до достижения номинального сопротивления, номинальное сопротивление, распределение начального распора и сопротивление крепи по ширине призабойного пространства. Из всех указанных параметров крепи наиболее важным является сопротивление. Несоответствие сопротивления крепи проявлениям горного давления в лаве переводит процесс взаимодействия крепи с кровлей из управляемого в неуправляемый. Недостаточное сопротивление может привести к посадке крепи «нажестко» и даже полному завалу лавы. Более высокое, чем требуется, сопротивление приводит к раздавливанию пород на контактах с крепью, ее обыгрыванию и ухудшению условий труда в лаве. Величина сопротивления крепи положена в основу расчета ее конструктивных элементов и в связи с этим определяет ее массу и стоимость. Завышенное сопротивление крепи неизбежно приведет к утяжелению ее конструкции и повышению стоимости. Поэтому необходимо установить оптимальное сопротивление, обеспечивающее надежное поддержание кровли и управление ею при наименьших затратах средств на изготовление и эксплуатацию механизированных крепей.
Все это указывает на то, что исследования, направленные на изучение закономерностей геомеханических процессов и позволяющие обосновывать па- раметры механизированного крепления очистных забоев при отработке пологих угольных пластов, являются актуальными.
Диссертационная работа вьшолнялась при поддержке РФФИ (проект №01-05-96011).
Методология моделирования проявлений горного давления на основе стержневой аппроксимации массива и крепи
Гипотеза "выдавливания пород из зоны опорного давления" выдвинута Ф. Итерсоном. Горный массив вокруг очистной выработки рассматривается как сыпучая среда, состоящая из массы несвязных блоков и кусков. Угольный целик воздействует своей реакцией на породы кровли в зоне опорного давления как жесткий штамп, выдавливая породы в рабочее пространство. Для определения нагрузки на крепь учитывается вес разрушенных пород внутри контура параболической кривой со стороны выдавлививаемой зоны.
Гипотеза "предварительного растрескивания" пород кровли В. Лабасса (рис. 1.7, г), основанная на учении Р. Феннера, рассматривает очистной забой в виде подвижного штрека. Впереди забоя возникает предварительная трещино-ватость, в результате чего в кровле происходит изгиб слоев пород, которые, действуя подобно консольным балкам, создают опорное давление впереди и позади очистного забоя. Нагрузка на крепь определяется весом вышележащих пород, реакцией основной кровли и давлением от расширения нижней части непосредственной кровли. Гипотеза послойного изгиба и оседания кровли, получившая развитие в трудах А. Германа и К. Кегеля, связана с гипотезой консольных балок. Породы кровли рассматриваются расчлененными на отдельные слои, которые подвергаются изгибу и периодическому излому. Давление на крепь зависит от сопротивления кровли изгибу и плотности пород, расположенных вокруг очистной выработки. Гипотеза "призм вращения", разработанная ПНИУИ (рис. 1.7, д), связана с гипотезой "шарнирных блоков" Г. Н. Кузнецова. Механизм формирования горного давления характеризуется выделением в кровле различных зон напряжения в виде призм. Давление на крепь определяется сопряженной с крепью призмой, образующей зону беспорядочного обрушения и пригружаемой призмами упорядоченного движения.
Согласно гипотезе "шарнирных блоков", выдвинутой Г. Н. Кузнецовым (рис. 1.7, ё), решение задачи о взаимодействии крепи с боковыми породами рассматривается с точки зрения кинематики отделившихся блоков с учетом сил взаимодействия их между собой и с крепью выработки. Нарушение сплошности горных пород над очистной выработкой характеризуется образованием зон беспорядочного обрушения пород непосредственной кровли и упорядоченного движения пород основной кровли. Последнее создается в результате того, что участки (блоки) слоев, отделенные друг от друга трещинами разлома, не теряют связи между собой и в совокупности образуют многозвеньевую шарнирную систему, которая может выдерживать нагрузку, передающуюся со стороны вышележащих слоев.
Механизмом шарнирно-блочного опускания кровли объясняется одна из форм проявления вторичных осадок в лавах, для которых характерно значительное опускание кровли с завальной стороны при незначительном опускании ее со стороны забоя. Однако другая форма проявления вторичных осадок с большим шагом деформирования мощных слоев основной кровли, установленная авторами в натурных условиях, для которых характерно образование и последующее раскрытие глубокой трещины в кровле с одновременным значительным оседанием массива кровли по линии ее обреза непосредственно у забоя, не может быть объяснена гипотезой "шарнирных блоков".
Проведенный выше обзор различных гипотез горного давления показал, что они построены на основе только конкретных экспериментальных фактов и общих принципах механики, в результате чего происходит существенное упрощение расчетных схем и создание общей теории становится невозможным. Большинство правильных предположений о механизме процесса сдвижения не может быть использовано либо из-за отсутствия методов решения, либо из-за сложности решения, но главным образом из-за недостатка исходных данных. Другим важным критерием ограниченности возможностей их использования является наличие бесконечно большого числа самых разнообразных горногеологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов, для которых описание механизма проявлений горного давления выходит за рамки созданных гипотез.
Среди численных методов расчета наибольшее распространение получили следующие: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ) и метод начальных параметров (МНП).
Одним из первых методов расчета, нашедших применение в геомеханике, стал метод конечных разностей или, иначе, метод сеток. Общий принцип метода состоит в том, что дифференциальное уравнение, описывающее напряженно-деформированное состояние массива пород вокруг выработок в предположении упругого деформирования, заменяется некоторыми уравнениями в конечных разностях, которые получают путем замены в нем производных и других дифференциальных операций их приближенными выражениями через разностные отнощения или значения функций в отдельных точках по заранее выбранной сетке. В результате решение дифференциального уравнения заменяют решением системы алгебраических уравнений. Таким способом, например, было исследовано напряженно-деформированное состояние части массива пород непосредственно над очистной выработкой (рис. 1.8) [85]. Основными недостатками МКР являются сложность аппроксимации граничных условий, в частности при наличии узловых точек на контуре исследуемой области, а также относительно малая возможность учета неоднородности массива пород и его масштабов, что имеет особо важное значение для очистных выработок, где необходимо рассматривать весьма значительные по размерам области массива горных пород.
Метод конечных элементов [1,23,27] основан на представлении области в виде совокупности плоских или пространственных элементов типа стержневых или рамных конструкций, связанных между собой в узлах. При этом в отличие от МКР соблюдается ясная физическая трактовка решаемых задач. Вместе с тем необходимость определения характеристик каждого элемента в отдельности дает возможность учитывать неоднородность свойств деформируемой области, а также рассчитывать области сколь угодно сложной конфигурации, в том числе и при условии многосвязности, без принципиальных изменений путей решения МКЭ можно рассматривать как обобщение метода перемещений, применяемого в строительной механике при расчете стержневых систем [52,70,92].
Уравнения силовых и кинематических факторов типовых элементов расчетной схемы
Разнообразие горно-геологических условий предопределяет многовариантность технологических схем, в которых в качестве рамных крепежных конструкций могут быть использованы не только традиционные для поддержания подготовительных выработок крепи трапециевидной и прямоугольной формы с любым типом стоек (гидрофицированные, пневматические, стойки трения, жесткие), но и комплекты крепей, подобные секциям механизированных крепей длинных очистных забоев или крепей сопряжения [86]. При этом к основному, предъявляемому к процессам крепления, требованию - созданию безопасного ведения работ - ввиду высоких темпов подвигания очистных забоев добавляется важное дополнительное - увеличение скорости крепления выработки, обеспечивающей максимальное использование рабочего времени комбайна. Данное требование является выполнимым только при условии существенного уменьшения массы и упрощения конструктивных схем крепей, определяющих снижение трудоемкости и времени при их возведении (для конструкций, подобных секциям механизированных крепей, - сокращение времени на передвижку).
Известно [69], что к специфическим факторам, влияющим на обоснование параметров крепления выработок при технологии ведения очистных работ короткими забоями, относятся: оставление целиков угля, воспринимающих на себя большую часть горного давления; высокие темпы подвигания забоев; незначительная по сравнению со столбовыми системами длина очистных выработок, вследствие чего их малый срок службы; небольшие размеры самих очистных забоев. Такой комплекс горнотехнических факторов предполагает существенное снижение нагрузок на крепежные конструкции в процессе их эксплуаталии, что создает благоприятные предпосылки для выполнения условий, необходимых при реализации дополнительного требования.
Совокупность геотехнологических факторов и требования повышенной экономической эффективности, предъявляемые к очистным технологиям, вызывают необходимость применения иных крепежных конструкций, включающий несколько элементов в общем перекрытии крепи. Так, например, сейчас в практике очистных работ широко используются технологии на базе комплектных самодвижущихся или самоходных крепей поддерживающе-оградительного или оградительно-поддерживающего типа. Требуют дополнительного изучения конструкции полигональных гидрофицированных крепей усиления и рамных деревянных и металлических крепей. Сложность расчета и проектирования данных конструкций заключается в необходимости учета в математической модели характера соединения элементов между собой [75], отличающегося типом узла и углами сопряжения и предопределяющего изменение кинематической схемы крепи на каждой итерации расчета ее напряженно-деформированного состояния.
При переходе к расчету крепей другой конструкции необходимо вновь разработать расчетную схему крепи и в полном соответствии с методикой расчета приступить к составлению выражений внутренних силовых и кинематических факторов, а затем программы на ПЭВМ. Этих трудоемких операций можно избежать, если разработать такую обобщенную расчетную схему, которая частным видом даст расчетную схему крепи очистных забоев любого типа [53].
Для этого необходимо учесть в математической модели характер соединения элементов между собой, отличающегося типом узла и углами сопряжения и предопределяющего изменение кинематической схемы крепи на каждой итерации расчета ее напряженно-деформированного состояния.
В основу создания математической модели напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев любого типа положена обобщенная расчетная схема (рис. 2.1), в которой верхний и нижний прямолинейные элементы аппроксимированы стержнями с жесткостными параметрами, адекватными натурным характеристикам крепи. Элементы-стержни соединены между собой расположенными под любым углом связями, имитирующими стойки крепи. Стержни разбиваются на любое количество участков, при этом длина участков не регламентируется. Однако связи должны быть расположены всегда в центре участка. Участки разбиения могут иметь разные жесткостные параметры, что позволяет осуществлять исследования, связанные с конструированием крепей (изменение сечения, материала и массы).
Общая схема нагружения крепи представлена в виде системы сосредоточенных сил (Р/)и P,zj\ приложенных в серединах каждого участка к верхнему и нижнему элементам (в зависимости от задачи исследования любая из этих сил может быть равна 0), силовых (поперечная и продольная силы, изгибающий момент) начальных (нулевое сечение стержней) и конечных (последнее сечениє) параметров, а также продольных реактивных усилий (Rk) в связях, формирующих систему внутренних (относительно расчетной схемы) дополнительных поперечных и продольных сил и изгибающих моментов, действующих на элементы крепи.
Апробация математической модели расчета крепей очистных забоев любой конфигурации
Главной задачей предлагаемой методики является определение напряженно-деформированного состояния элементов крепей очистных забоев, происходящих в процессе выемки полезного ископаемого. Для этого крепь аппроксимируется в модели системой стержней, соединенных между собой вертикальными (наклонными) связями, имитирующими различного вида гидростойки, гидропатроны, рычаги. При этом каждый из стержней по всей своей длине с учетом качественных и конструктивных изменений реального элемента крепи аккумулирует в себе физико-механические и геометрические характеристики.
В общем случае верхняя часть может быть представлена несколькими элементами, расположенными под произвольным углом друг к другу и формирующими единую систему за счет различных типов соединения в узлах. Нижняя часть также может состоять из любого числа прямолинейных элементов. Связи в расчетных схемах располагаются в серединах участках, дискретизи-рующих каждый из элементов.
Основой математической модели являются универсальные уравнения метода начальных параметров, а формирование системы уравнений достигается на базе строгих законов алгебры матриц. Система включает в себя уравнения силовых и кинематических факторов и уравнения совместности перемещений, характеризующие деформации связей (гидростоек, гидропатронов, рычагов), расположенных вертикально или наклонно. Решение системы позволяет найти начальные параметры и реактивные усилия в связях с учетом их деформаций, на основании чего производить расчет напряженно-деформированного состояния в любой точке имитируемой конструкции.
Практическая реализация методики основывается на алгоритме расчета, универсальность построения которого позволяет решать широкий круг задач по исследованию крепей, и на разработанном программном обеспечении.
Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) любой точки элемента крепи осуществляется путем последовательного выполнения следующих основных процедур (рис. 3.1): формирование расчетной схемы, включающее ввод и преобразование исходных данных, характеризующих геометрические, деформационные и силовые параметры всех элементов; формирование общей системы линейных уравнений, описывающих НДС элемента крепи и представленных матрицей коэффициентов при неизвестных начальных параметрах и реакциях вертикальных (наклонных) связей и вектором свободных членов, вычисленных по заданным внешним силовым факторам; расчет неизвестных начальных параметров и реакций связей, основанный на методе исключения неизвестных - методе Гаусса; расчет НДС элементов крепи, осуществляемый по всем вертикальным сечениям, которыми ранее моделируемый блок был разбит на участки, и включающий определение поперечных и продольных сил, изгибающего момента, угла поворота сечения, горизонтального и вертикального перемещений. Порядок выполнения процедур моделирования алгоритма заканчивается выводом результатов. Для решения задач по определению напряженно-деформированного состояния элементов крепей на базе математической модели разработан пакет прикладных программ KREPMK, ориентированный на ПЭВМ, совместимые с ГОМ PC. Программы написаны на языке программирования FORTRAN версии 5. Пакет прикладных программ построен по модульному принципу, позволяющий расширять его возможности по мере необходимости. Кроме того, в зависимости от характера исследуемой задачи такой принцип построения сохраняет возможность изменять порядок использования программных модулей, что во многих случаях упрощает алгоритм расчета. В состав пакета прикладных программ входят следующие программные модули: ISHD - осуществляет ввод, подготовку и преобразование исходных данных с учетом граничных условий (для верхнего элемента). Ввод исходных данных производится в диалоговом режиме работы. Для каждого из вводимых параметров разработан свой порядок ввода, в соответствии с которым осуществляется запрос на экране дисплея. Результатом работы программы является формирование группы промежуточных файлов. ISHD-2 - осуществляет ввод, подготовку и преобразование исходных данных с учетом граничных условий (для нижнего элемента). 112 - формирует матрицу коэффициентов при начальных параметрах в уравнениях силовых и кинематических факторов (для верхнего элемента). 1121 - формирует матрицу коэффициентов скачков при начальных параметрах в уравнениях силовых и кинематических факторов (для верхнего элемента). 113 - формирует матрицу коэффициентов при начальных параметрах в уравнениях силовых и кинематических факторов (для нижнего элемента). 888 - формирует коэффициенты от действия сил в каждом сечении верхнего элемента. 999 - формирует коэффициенты от действия сил в каждом сечении нижнего элемента. 115 - формирует вектор свободных членов в виде матрицы коэффициен тов в уравнениях силовых и кинематических факторов (для верхнего элемента). 124 - формирует вектор свободных членов в виде матрицы коэффициентов в уравнениях силовых и кинематических факторов (для нижнего элемента). 116 - формирует матрицу коэффициентов при неизвестных реакциях вер тикальных и наклонных связей в уравнениях силовых и кинематических фак торов (для верхнего элемента). 123 - формирует матрицу коэффициентов при неизвестных реакциях вертикальных и наклонных связей в уравнениях силовых и кинематических факторов (для нижнего элемента). 119 - формирует матрицу коэффициентов при начальных параметрах в уравнениях совместности перемещений (для верхнего элемента). 117 - формирует матрицу коэффициентов при начальных параметрах в уравнениях совместности перемещений (для нижнего элемента). 120 - формирует матрицу коэффициентов при неизвестных реакциях вер тикальных (наклонных) связей в уравнениях совместности перемещений (для верхнего элемента). 118 - формирует матрицу коэффициентов при неизвестных реакциях вер тикальных (наклонных) связей в уравнениях совместности перемещений (для нижнего элемента). 121 - формирует вектор свободных членов в виде матрицы коэффициентов в уравнениях совместности перемещений (для верхнего элемента). 122 - формирует вектор свободных членов в виде матрицы коэффициентов в уравнениях совместности перемещений (для нижнего элемента).
Имитационное моделирование взаимодействия системы "крепь - слоистый массив"
Интенсивности составляющих нагрузки прикладываются к конечным элементам крепи в точках их деления на равные участки, используя базовый метод расчета и неравные участки, используя методику расчета напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев любой конфигурации.
В приведенной расчетной схеме каждый из четырех конечных элементов разбит на 10 участков. Участки не совпадают при сравнительном анализе базового метода расчета с методикой расчета напряженно-деформированного состояния крепей очистных забоев любой конфигурации. Нагрузка прикладывается в 10 точках козырька, в 10 точках перекрытия и в 10 точках ограждения. В процессе расчета крепи распределенная нагрузка приводится к системе нормальных (радиальных) и касательных (тангенциальных) сосредоточенных сил, приложенных в серединах участков, на которые разбиты элементы. Величины нормальных (радиальных) и касательных (тангенциальных) сосредоточенных сил для верхнего элемента и основания приведены в таблице 3.1.
Поскольку на начальном этапе проектирования крепи неизвестны жесткости поперечных сечений участков при изгибе, сжатии, то они вычисляются в процессе расчета как для балки сплошного сечения, ширина которой 1 м, а толщина для каждого конечного элемента крепи задается в исходных данных. В данном примере толщина всех элементов принята равной 200 мм. Жесткости на изгиб и сжатие на каждом участке элементов приведены в таблице 3.1. Жесткость упругих связей между конечными элементами на начальном этапе проектирования задается равной 1020 -1030 кПа-м2, что позволяет рассматривать связи как абсолютно жесткие.
Для удобства подготовки исходных данных на расчетной схеме по порядку обозначены конечные элементы (1,2,3,4), одинарные связи, которыми моделируются упругие связи между конечными элементами (9= 0,487 м, 7= 0,655 м), парные связи между конечными элементами верхнего и нижнего уровня (8= 2,240 м, 6= 0,820 м, 5= 0,730 м).
Для оценки эффективности разработанного метода и программного обеспечения по результатам расчета, включающие поперечные и продольные силы и изгибающие моменты по верхнему и нижнему элементам конструкции построены эпюры силовых факторов (эпюры поперечных сил (рис. П. 1.1, рис. П. 1.4), эпюры продольных сил (рис. П. 1.2, рис. П. 1.5), эпюры изгибающих моментов (рис. П. 1.3, рис. П. 1.6)).
На рисунке 3.8 приведена расчетная схема секции механизированной крепи для решения задачи определения предельных нагружений сосредоточенной силой, последовательно прикладываемой в заданных сечениях несущих звеньев крепи, а также определения напряженно-деформированного состояния конструктивных звеньев крепи для каждого предельного напруження при заданных усилиях в податливых элементах. Расчетная схема отличается от ранее рассмотренной схемы (см. рис. 3.7) тем, что вместо распределенной нагрузки, действующей на козырек, перекрытие и ограждение секции крепи, к этим элементам в срединах участков, на которые они разбиваются, последовательно прикладывается сосредоточенная сила Р=1000 кН.
По результатам расчета, включающие усилия в связях от перемещения силы Р=1000 кН по верхнему элементу конструкции построены линии влияния реактивных усилий в гидропатронах, в гидростойке, в переднем и заднем рычагах четырехзвенника (рис. П. 1.7 - П. 1.11).
Проведенные расчеты, как видно из эпюр силовых факторов и линий влияния реактивных усилий, показали высокую степень эффективности разработанной методики расчета (расхождение не превышает 3-13%), предопределяющие возможность ее дальнейшего корректного использования при исследовании напряженно-деформированного состояния механизированных крепей очистных забоев любого (поддерживающего, поддерживающе-оградительного, оградительно-поддерживающего и др.) типа.
Для исследования напряженно-деформированного состояния крепи были сформированы три расчетные схемы (рис. 3.9), принципиальное отличие которых заключается в углах наклона рычагов четырехзвенного механизма регулирующие высоту механизированной крепи.
Геометрические характеристики связей и углы сопряжений элементов оградительно-поддерживающей части для различных схем приведены в таблице 3.2. В процессе моделирования работы крепи на ПЭВМ в качестве критериев, отождествляющих корректность расчетов, выступают искомые изгибающие моменты в оградительно-поддерживающей части и основании и реактивные усилия в гидростойках. В итоге: первая схема характеризуется свободным концом в начальном и конечном сечении оградительно-поддерживающей части, и шарнирным закреплением основания в начальном сечении и шарнирно смещаемым по OZ - в конечном сечении фкр = 3000 мм); вторая схема характеризуется свободным концом в начальном и конечном сечении оградительно-поддерживающей части, и шарнирным закреплением основания в начальном сечении и шарнирно смещаемым по OZ - в конечном сечении (hKp = 2295 мм); третья схема характеризуется свободным концом в начальном и конечном сечении оградительно-поддерживающей части, и шарнирным закреплением основания в начальном сечении и шарнирно смещаемым по OZ - в конечном сечении (кщ, = 2000 мм). Все схемы в геометрическом отношении подобны исследуемой конструкции. Для проведения итерационных расчетов оградительно-поддерживающая часть крепи разбита на 30 участков (по 10 участков на каждом элементе), а основание - на 10 участков (см. рис. 3.6), что обуславливает корректность результатов. Жесткостные параметры элементов крепи: для оградительно-поддерживающей части и основания изгибная жесткость С = 1,ЗЗЗЕ+05 кПа-м и жесткость на сжатие-растяжение Л = 4,000Е+07 кПа-м2; жесткость связей на сжатие-растяжение принята как абсолютно жесткая Д, = 1,000Е+30 кПа-м .
Условие исследования напряженно-деформированного состояния верхней части крепи и основания при предельном нагружении предполагает задание значительно завышенных жесткостных характеристик основания крепи, обеспечивающее устойчивость схем расчета и получение экстремальных составляющих силовых и кинематических факторов. Расчеты проводились при воздействии единичной сосредоточенной силы на каждом участке дискретизации.
Результаты многовариантных исследований, выполненные на основе разработанного программного обеспечения, представлены графически на рис. П.2.1 - П.2.12 в виде линий влияния изгибающих моментов в оградительно-поддерживающей части и основании, линий влияния реактивных усилий в связях (рис. 3.10-3.12) крепи "Караганда 500". Анализ линий влияния реактивных усилий в связях крепи "Караганда 500" показал: - максимальные усилия в рычагах четырехзвенника будут при минимальной мощности вынимаемого пласта; - с уменьшением высоты крепи крайний рычаг 5 лишь частично работает на сжатие, а при максимальной высоте она полностью работает на растяжение. Анализ линий влияния изгибающих моментов (см. рис. П.2.1 - П.2.12) показывает изменение изгибающего момента от раздвижности крепи (изменяется угол сопряжения двух элементов оградительно-поддерживающей части, третий элемент остается неподвижным). При изменении углов рычагов четырехзвен-ного механизма, их увеличения, наблюдаем увеличение значений изгибающих моментов.
