Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ методов расчёта и конструкций крепей горных выработок 7
1.1. Современные методы определения нагрузки на крепь горных выработок 7
1.2. Существующие методы моделирования параметров крепей горных выработок 13
1.3. Анализ существующих конструкций рамных крепей горных выработок для сложных горно-геологических условий 16
1.4. Цели, задачи и методы.
Выводы 37
2. Состояние крепления, необходимость его улучшения для шахт донского ГОКА 38
2.1. Горно-геологические условия и работоспособность применяемых рамных крепей горизонтальных выработок шахт Донского ГОКа 38
2.2. Разработка и реализация методики экспериментальных исследований по оценке деформированного состояния рамных крепей 49
Выводы 62
3. Алгоритмы решения задач механики сплошной среды и моделирования параметров равных репей на основе методов сил и конечных элементов 65
3.1. Алгоритм решения задач геомеханики на основе метода конечных элементов 65
3.2. Характеристика программы АРМ WinStructure 3D 70
3.3. Алгоритм расчёта стержневых строительных конструкций на основе метода конечных элементов с применением программы АРМ Winstructure 3D 71
3.4. Алгоритм моделирования параметров крепей произвольного очертания на основе метода сил строительной механики 75
3.5. Моделирование параметров крепи по программе «АРКА» 83
3.6. Моделирование параметров рамных крепей горных выработок на основе применения программы АРМ WinStucture3D 93
3.6.1. Исследование влияния очертания крепи на её несущую способность..93
3.6.2. Моделирование параметров применяемой на шахтах Донского ГОКа рамной крепи горизонтальной подготовительной выработки 100
Выводы 106
4. Разработка и обоснование рекомендаций по креплению подготовительных и нарезных выработок шахт донского ГОКА 108
4.1. Общие положения 108
4.2. Обоснование целесообразности применения рамной крепи по патенту РФ №1810562 111
4.3. Обоснование рекомендаций по креплению выработок рамной крепью по патенту РФ № 2065966 117
4.4. Рекомендации по эффективному применению рамной крепи по АС СССР №1506128 122
Выводы 124
Заключение 127
Литература 130
Приложения 143
- Анализ существующих конструкций рамных крепей горных выработок для сложных горно-геологических условий
- Разработка и реализация методики экспериментальных исследований по оценке деформированного состояния рамных крепей
- Алгоритм расчёта стержневых строительных конструкций на основе метода конечных элементов с применением программы АРМ Winstructure 3D
- Обоснование рекомендаций по креплению выработок рамной крепью по патенту РФ № 2065966
Введение к работе
Постоянное развитие горнодобывающих отраслей промышленности является необходимым условием обеспечения материального производства. Опыт добычи полезных ископаемых показывает, что с ростом глубины разработки месторождений (уже до 1000-1600 м и более), а также и на меньших глубинах при сложных природных условиях залегания полезных ископаемых, горные выработки испытывают возрастающую интенсивность проявлений горного давления, а их крепь увеличивающиеся нагрузки и опасные деформации. Это сопровождается потерей крепью своей несущей способности, что приводит к необходимости восстановления нормального эксплуатационного состояния выработок со значительными капитальными затратами.
Работы по креплению горных выработок, как при строительстве, так и при эксплуатации горнодобывающих предприятий, являются трудоемкими и высоко стоящими. В общей стоимости и трудоемкости сооружения горных выработок стоимость крепей и трудоемкость их возведения составляют 30-60%. Протяженность подлежащих ремонту и перекреплению выработок в их эксплуатационный период довольно значительная.
На шахтах угольных бассейнов в зависимости от сложности горногеологических условий и глубины проведения горных выработок, годовой объем крепления и перекрепления капитальных и подготовительных выработок составляет 19-34% от общей их поддерживаемой протяженности, а затраты труда за год на ремонт и поддержание выработок в рабочем состоянии на 1 км протяженности поддерживаемых выработок равны 269-586 чел-смен, на 1 км отремонтированных выработок в год - 4,9-13,4 тыс. чел- смен. В Донецком бассейне Украины, характеризующимися большой глубиной разработки угольных пластов, интенсивным проявлением горного давления и наибольшим показателем затрат труда на ремонт т поддержание выработки, на 1000 т годовой добычи - 49,6 чел.-смен, за 15-летний период средняя несущая способность крепей возросла более чем в 2 раза при одновременном росте стоимости крепления и трудоемкости работ в 2,3-2,5 раза.
Подобное положение с сохранностью подземных выработок и на некоторых горнодобывающих предприятиях. Так, например, на шахтах Донского горно-обогатительного комбината Казахстана, разрабатывающих крупнейшие Южно-Кемперсайские (Донские) месторождения хромовых руд на сравнительно небольшой глубине 500-600 м, горные выработки неоднократно перекрепляются из-за сложных природных условий залегания хромовых руд, проявляющихся в значительном воздействии горного давления на крепь выработок и большом смещении породного массива внутрь выработанного пространства.
Следовательно, при увеличивающейся интенсивности проявлений горного давления с возрастанием глубины ведения горных работ и при сложных природных условиях залегания полезных ископаемых традиционные крепи стали не обеспечивать надлежащую сохранность горных выработок. Рационализация конструкций и повышение несущей способности традиционных крепей посредством завышения коэффициента запаса без теоретического обоснования приводит к излишней материалоемкости крепей и к излишним капитальным затратам. В то же время еще не в полной мере использованы все возможности прикладных наук - механики подземных сооружений и строительной механики (особенно стержневых систем, оболочек) для разработки методов расчета и проектирования конструкций рамных крепей горных выработок на основе применения современных программ расчета, что обеспечит в сложных горно-геологических условиях добычи полезных ископаемых повышение или полную сохранность горных выработок в эксплуатационном состоянии.
Сложные условия работы, ненадежность крепления горных выработок, большой объем перекрепляемых выработок, связанные с особенно большой сложностью работ, приводят к значительному травматизму и смертельным случаям среди шахтеров.
Это, прежде всего, относится к проведению и креплению подготовительных горных выработок угольных шахт и рудных месторождений в слож-
ных горно-геологических и горнотехнических условиях, где возможно значительное горное давление и смещение породного массива. Повышение надежности крепления горных выработок возможно достичь за счет применения новых конструкций крепей со значительно большей несущей способностью и при необходимости, податливостью с сохранением или незначительным увеличением их материалоемкости и трудоемкости возведения. Разработка новых конструкций крепей повышенной надежности работы обеспечивается кроме научной интуиции, основанной на знаниях фундаментальных и прикладных наук и опыта работы, на разработке точных и доступных для использования инженерных методов расчета. В настоящее время наиболее перспективным направлением в расчетах является применение метода конечных элементов, реализованного в различных компьютерных программах, например, в средах Turbo Basic, АРМ, COSMOS/M.
Таким образом, из изложенного следует, что указанные проблемы разработки и расчета конструкций крепей горных выработок, являются весьма актуальными. Их решение будет обеспечивать все большую надежность и экономичность крепления горных выработок в условиях возрастания воздействия на крепь проявлений горного давления, как с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых, так и в сложных природных условиях залегания этих месторождений.
Настоящая диссертационная работа решает достаточно узкую, но очень важную задачу разработки конструкций и методов расчета рамных крепей подготовительных и нарезных горных выработок для сложных условий повышенного давления и смещений породного массива, в частности шахт Донского ГОКа.
Целью настоящей диссертационной работы является выявление реальных связей между рациональными параметрами рамных крепей подготовительных и нарезных выработок и комплексом характеристик условий их проведения и охраны для формирования методической базы и алгоритмов обоснования работоспособных технических решений, обеспечивающих повышение эксплуатационной надёжности и снижение материалоёмкости крепей.
Анализ существующих конструкций рамных крепей горных выработок для сложных горно-геологических условий
Нагрузки на конструкцию рамных крепей определяются в соответствии с нормативными документами [57, 58, 123] или на основании экспериментальных данных. Реактивные нагрузки находятся из условий равновесия или из элементарных деформационных соотношений, например, метод С.С. Давыдова по определению упругого отпора на массивные стены как жестких дисков.
Расчет рамных крепей также производится с учетом реактивного, упругого нормального отпора на основе метода начальных параметров [59, 67] и на основе решения контактной задачи методом теории упругости с заменой рамной конструкции крепью постоянной толщины [21, 22, 23].
Метод начальных параметров применительно к расчету подземных конструкций использовался и совершенствовался в работах С.Н. Беркиной [15], В.Л. Попова [95], В.Н. Каретникова, В.Б. Клейменова, В. А. Бреднева [60]. Основное достоинство метода начальных параметров состоит в однотипности алгоритмов, что делает его перспективным и удобным при использовании ЭВМ. Кроме того, при решении дифференциальных уравнений произвольные постоянные выражаются через силовые и кинематические факторы в начале отсчета, что позволяет решать задачу в общей компактной постановке. Задача решена в тригонометрических рядах в самом общем случае, когда реактивные силы определяются при совместном деформировании крепи с породным массивом в виде винклеровского основания, либо из условия на контакте, когда по известным нормальным давлениям определяют тангенциальные напряжения [21, 22, 23]. Важной особенностью метода начальных параметров, по сравнению с другими расчетными методами, являются возможности производить расчет рамной крепи как пространственной системы, состоящей в общем из тонкостенных элементов открытого профиля [67]. На основе этого метода разработаны рациональные конструкции профилей (СВПУ) повышенной несущей способности, в паспорта крепления внесены изменения по обеспечению пространственной работы рамной крепи за счет объединения межрамными стяжками, что существенно повышает несущую способность крепей в сложных условиях неравномерного горного давления.
Расчетом металлической и других видов крепи по предельным состояниям посвящены исследования Л.А. Джапаридзе [39, 40, 43], при этом им обоснованы предельные состояния применительно к крепям горных выработок и вмещающего породного массива, составлены алгоритмы и программы расчета, отвечающие современному подходу к расчету строительных конструкций по предельным состояниям [123, 124].
В настоящее время на базе применения компьютерной техники развивается метод расчета конструкций крепей, когда породный массив и крепь моделируются взаимодействующими друг с другом конечными элементами. Алгоритмы и программы расчета для выработок крепи с породным массивом разработаны в трудах К.С. Ержанова [47], Б.З. Амусина [2, 3], А.Б. Фадеева [130].
Из наиболее известных и апробированных у нас программ в настоящее время применимы программы: АРМ WinStucture3D для расчёта стержневых конструкций и COSMOS/M для расчёта сплошных конструкций.
При всей перспективности данных методов, обусловленных решением практически любых задач механики сплошной среды, они не получили применения при проектировании конструкций горных выработок из-за недостаточной точности исходных горно-геологических условий, поэтому наряду с ними для оперативности вычислений с использованием любой компьютерной техники возможно применение программ, базирующихся на более ранних алгоритмических языках, типа Turbo Basic. Большое количество разработанных методов расчета крепей горных выработок свидетельствует о сложности проблемы расчета конструкций крепей и отдаленности ее исчерпывающего решения.
Среди нерешенных вопросов механики подземных сооружений остаются вопросы определения горного давления на крепь выработки некругового очертания при нелинейном характере деформирования породного массива, что касается расчета рамной крепи, то это прежде всего, вопросы ее рационализации посредством изменения жесткости рам крепи и, соответственно, перераспределения напряжений, учет в работе крепи замков податливости и их совершенствование, учет пространственной работы крепи при объединении рам, учет взаимодействия рам крепи с породным массивом, учет качества за-буровки и расклинки рам крепи в породный массив.
Металлические рамные крепи являются наиболее распространенными видами крепей горизонтальных и наклонных горных выработок. На угольных и рудных шахтах применяются арочные, кольцевые и трапециевидные податливые крепи типа АП-3, АКП-3, АКП-5, КПК, ШКОВ, а также крепи типа АЖК, КЖК, ТЖК. Рамы податливых крепей выполняются из специального профиля (СВП), жестких крепей - из двутавровых балок. Рамная крепь обладает рядом достоинств: - имеет высокую несущую способность и податливость, что позволяет ее использовать в сложных горно-геологических условиях значительного горного давления и смещений породного массива при креплении как капитальных, так и подготовительных выработок; - простота транспортировки и монтажа конструкций крепи из отдельных элементов рам. Вместе с тем, рамным крепям свойственны существенные недостатки: - значительный расход металла; - практическое отсутствие механизации работ по установке рам, по затяжке и забутовке закрепного пространства; - малая несущая способность и надежность работы замков податливости трения; - незамкнутость профилей, приводящая в сложных условиях повышенного неравномерного горного давления к закручиванию рам, что вызывает необходимость установки противодепланационных связей; - малая несущая способность обратного свода в сильно пучащих породах; - нерациональность форм типовых конструкций крепей горных выработок, вызывающая преимущественную работу рам крепи на изгиб. В связи с этим исследования и разработки последнего времени по совершенствованию рамных крепей были направлены на устранение этих недостатков. Много разработок, как в нашей стране, так и за рубежом, выполнено по улучшению конструкций замков податливости трения с целью обеспечения большого стягивания и увеличения площади контакта элемента рам, увеличения коэффициента трения между рамными элементами. На рис. 1.1. показаны некоторые улучшенные узлы податливости рамной крепи. На рис 1.1.1. и 1.1.2. изображены соответственно усиленный болтовой замок ЗПК и клиновой замок ЗК, разработанные институтом НИИОГР и защищенными авторскими свидетельствами.
Разработка и реализация методики экспериментальных исследований по оценке деформированного состояния рамных крепей
Широкое распространение милонитоподобных образований и минералов группы серпентинита приводит к снижению степени сцепления между блоками. Угол внутреннего трения для прослоек между блоками принят = 30. Коэффициент крепости пород равен f = 7-9. Водопритока в выработку не наблюдалось.
На участках замерных станций были установлены рамные крепи двух видов с разной жесткостью. Крепь первого вида выполнена в соответствии с типовым паспортом крепления откаточной выработки сечением в свету 9,2 м и в проходке 11,7 м (рис. 2.5.). Крепь второго сечения в свету также 9,2 м выполнена усиленной из двух рам, взаимодействующих между собой через отрезки спецпрофиля № 22 (рис. 2.6.).
На рамные крепи наносилось по 5 замерных точек, перемещения которых в результате воздействия горного давления на эту крепь определялась с помощью геодезических инструментов. Базой для производства замеров являлись два репера из арматурной стали диаметром 24 мм и длиной 1 =0,5 м. Репера устанавливались забивкой в почву выработки строго по ее середине на расстоянии друг от друга L = 30 м с превышением над почвой их верхних концов на 5 см. На верхних торцах реперов имеются крестовидные насечки для центрирования геодезических инструментов.
Схема замерной станции изображена на рис 2.7. Базовые точки БТ-1 и БТ-2 соответствуют реперам замерной станции. Для ведения наблюдений за деформациями крепи над точкой БТ-1 первого репера устанавливался теодолит технической точности. После вывода его в горизонтальное положение производилось наведение вертикальной оси на точку БТ- 2 второго репера и закрепление горизонтального круга теодолита. Освободив вертикальный круг теодолита, выполнялись соответствующие измерения. Для этого на рамы крепи краской наносилась разметка измерительных точек.
Замеры вертикальных и горизонтальных перемещений рам крепи проводились в пяти точках (рис. 2.7.), при этом точки 1 и 4 расположены на уровне головки рельсов, точки 2 и 3 - на высоте 1500 мм над уровнем головки рельсов, точка 5 расположена в замковой части рамы. Величины Vj, V2, V3, V4 определялись по нивелировочной рейке с точностью до 0,1 мм. Горизонтальные перемещения измерительных точек вычислялись как разность замерных величин Vj =1-1 \ V2 = 2-21, V3 = З-З1, V4 = 4-4 точек 1,2,3,4 рамы крепи. Вертикальные напряжения Ws = 5-5 точки 5 находились в результате фиксирования с точностью до 0,1 мм ее положения по отношению к точкам БТ-1 и БТ-2 с помощью нивелира, устанавливаемого в любом месте участка замерной станции. При этом одна из базовых точек являясь точкой отсчета, а другая контрольной. Замеры проводились 1-2 раза в месяц в зависимости от интенсивности деформационных процессов на замерных станциях.
За время проведения экспериментальных исследований по определению деформированного состояния рамных крепей на замерных станциях было выполнено 12 замеров, из которых первый замер являлся для каждой рамы базовым, остальные одиннадцать - непосредственно замерами перемещений. Из замеров 7 замеров проводились до начала ведения и 5 при ведении очистных работ, при этом каждый замер включает в себя 12 данных о перемещении рамы крепи. Данные экспериментальных исследований по каждой замерной раме крепи (по пикетам их установки) сводились в единые по форме таблицы.
Определение перемещений замерных точек рам крепи проводились после срабатывания их узлов податливости (примерно через 2 месяца после установки рам) при работе этих крепей в жестком режиме. Это дает основание при определении действующей на рамную крепь нагрузки считать в общем случае работу данной крепи в упруго-пластической стадии.
Согласно методики исследований по определению деформированного состояния рамных крепей, полученные данные о деформации 36 рамных крепей были сведены по каждой раме (пикету) в единые по форме таблицы. По каждой раме получено 55 данных о горизонтальных и вертикальных перемещениях всех пяти фиксированных точек рам. Замеры проводились: 1-й (базовый)- 14.09.90, остальные 2-12 в период 04.10.90-26.12.91.
Анализ 36 единых по форме таблиц с фактическими данными замеров показал, что между величинами перемещений симметрических горизонтальных точек рам крепи имеются различия. В связи с тем, что разработанный способ определения нагрузки на крепь горной выработки предполагает эпюру нагрузки и деформаций симметричными, а следовательно и теоретическое равенство величин перемещений, то для определения нагрузки на крепь полученные симметричные горизонтальные перемещения замерных рам Vj и V4; V2 и V3 проводились к средним их значениям
Эти средние горизонтальные перемещения вместе с полученными вертикальными перемещениями W 5 замерных точек рам крепи были сведены в такие же таблицы, и они использовались для определения нагрузки на крепь горной выработки по разработанному способу.
Анализ величин перемещений содержащихся в указанных таблицах показал , что деформации были подвержены типовые и двойные замерные рамы крепи до начала ведения и во время ведения очистных работ, при этом величина перемещений фиксированных точек типовых рам примерно в три раза больше, чем у двойных рам. На пикетах 96; 96-5; 97; 97-5, находившихся в зоне тектонического разлома породного массива, замерные типовые рамы были так сильно деформированы, что на этих участках до проведения последних 11-го и 12-го замеров выработка перекреплялась с установкой новых рам.
Из анализа таблиц прослеживается, что на начальном этапе наблюдений до ведения очистных работ замковая точка 5 замерных рам крепи поднимается вверх, а. соответственно, W 5 имеет отрицательный знак. Стойки же рам крепи смещаются и деформируются внутрь выработки.
Алгоритм расчёта стержневых строительных конструкций на основе метода конечных элементов с применением программы АРМ Winstructure 3D
Данная программа предназначена для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных конструкций, а также любых их комбинаций. Внешняя нагрузка, также как и условия закрепления конструкции, могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.
Применительно к рамным крепям горных выработок, рассчитываемых на заданную нагрузку, данная программа с точки зрения точности расчета с учетом многообразия условий нагружения и закрепления рам в породном массиве, является мощным инструментом для проектирования рациональных конструкций крепей.
Расчет напряженно-деформационного состояния конструкций выполняется методом конечных элементов. Число конечных элементов устанавливается пользователем исходя из точности расчета конструкции и времени на создание ее расчетной схемы. Разбивка на конечные элементы выполняется автоматически. Для эффективной реализации расчетных и графических процедур в программе имеется современный интерфейс специализированного назначения. Он включает: ? графический редактор задания конструкций как комбинаций из стержней и пластин; ? визуализатор пространственного представления модели; ? редактор задания плоских сечений стержневых элементов; ? редактор задания нагрузок, условий закрепления и механических характеристик составляющих элементов; ? визуализатор результатов расчета. В программе имеется библиотека стандартных профилей и базы данных по материалам и характеристикам. Предусмотрен также импорт поперечного сечения стержневых элементов конструкций из стороннего графического редактора.
Программа АРМ WinStructure 3D позволяет рассчитывать величины напряжений и деформаций в любой точке конструкции. Кроме того, имеется возможность расчета устойчивости конструкции, а также автоматического определения веса всех ее конструктивных элементов и конструкции в целом, что важно для оценки материалоемкости конструкции и трудоемкости ее возведения. Результаты расчетов с помощью специализированного визуали-затора представляются в цветовой гамме, в виде изолиний или в форме эпюр напряжений, усилий, деформаций.
Для расчёта стержневых систем применение очень мощных программ типа COSMOS/M не оправдано из-за их громоздкости при получении одинаковых результатов с применением других программ с тем же качеством.
В настоящее время для расчёта строительных конструкций широкое применение получила отечественная программа АРМ Winstructure 3D. Она также основана на методе конечных элементов, где для стержневых систем в качестве элементов приняты стержни. Впервые данная программа применяется для расчёта крепей горных выработок. Так как в условиях шахт Донского ГОКа крепи подготовительных горных выработок работают в режиме «заданной нагрузки», применение данной программы вполне оправдано. Подробная информация о программе и расчёты конструкций крепей даны в главе четыре диссертации.
Расчёт стержневой конструкции начинается с создания расчётной модели. Создание модели выполняется в редакторе создания моделей программы, при этом в данном редакторе вычерчивается расчётная схема конструк ции: расставляются опоры конструкции в виде заделки, подвижного или неподвижного шарнира, задаются параметры материала конструкции (удельный вес, модуль Юнга, пределы прочности на растяжение и сжатие), задаётся предварительно найденная нагрузка на конструкцию. Отдельным этапом является вычерчивание поперечных сечений стержней (в нашем случае спецпрофиля) с сохранением их в библиотеке поперечных сечений. В соответствии с геометрией и размерами поперечных сечений стержней компьютер самостоятельно подсчитывает его геометрические характеристики: площадь поперечного сечения, осевые моменты инерции и т.д.
После задания всех необходимых данных выполняется расчёт конструкции и анализ полученных результатов.
Программа позволяет производить статический расчёт и расчёт на устойчивость. В нашем случае более актуальным является статический расчёт, так как все разрушения конструкций произошли от нарушения условий прочности (гл. 2).
Особенностью данной программы является очень удобный интерфейс с получением подробнейших результатов вычислений. Наиболее наглядно и подробно результаты расчета представляются в карте эквивалентных напряжений и деформаций. Напряжения подсчитываются по теории прочности Мизеса для каждого поперечного сечения стержневой конструкции. Карта напряжений и деформаций является цветной, где каждому цвету соответствует своя величина интенсивности напряжений, указанная на шкале напряжений. По величине наибольшего напряжения можно судить о прочности конструкции, по величине наибольшего перемещения - о жёсткости. При этом из анализа карты напряжений можно делать выводы о направлении усиления конструкции за счёт перераспределения напряжений в статически неопределимой системе, т.е. об изменении жёсткости элементов с целью выравнивания напряжений в конструкции.
Если нам нужно оптимизировать поперечное сечение стержня, можно рассмотреть распределение напряжений в поперечных сечениях стержней. Из анализа напряжённого состояния в поперечных сечениях стержней также можно делать выводы о направлении совершенствования в нашем случае спецпрофиля.
Изменение усилий и перемещений в конструкции можно проследить вызвав окна для просмотра результатов расчёта реакций опор, результатов расчёта усилий и перемещений в узлах стержневой конструкции.
Можно просмотреть более привычные эпюры изменения усилий и перемещений по длине стержней. С учётом веса конструкции вычисляются наибольшие значения напряжений и перемещений с указанием соответствующих сечений.
Обоснование рекомендаций по креплению выработок рамной крепью по патенту РФ № 2065966
Расчет по программе АРМ WinStructure 3D проводился на взаимно перпендикулярные равномерные нагрузки, что отвечает рациональности сечения крепи. Жесткость упругих опор принималась равной 2 кН/мм. Карта напряжений и деформаций в раме крепи показана на рис. 3.17.
Наибольшие эквивалентные напряжения здесь еще уменьшились на 10% и составили 172,5 МПа. Таким образом, при креплении горных выработок для обеспечения их наибольшей несущей способности существенная роль принадлежит очертанию крепи и типу опорных закреплений. На примере крепи полукругового очертания показано, что изменяя эпюру нагрузки и тип опорных закреплений при той же материалоемкости крепи ее несущую способность можно увеличить до 40%.
В работе [138 ] доказано, что при известных вертикальных и горизонтальных нагрузках на крепь горных выработок, рациональным очертанием крепи является эллипс с соотношением полуосей, равным корню квадратному из коэффициента бокового распора с ориентацией большей полуоси в сторону большего давления.
Возможности применения комплекса программ АРМ WinMachine в научных исследованиях при расчете строительных конструкций были продемонстрированы на примере расчета ферменной конструкции по программе APMWinTruss[145].
Очень мощным средством расчета и проектирования стержневых, пластинчатых, оболочечных конструкций и их произвольных комбинаций является модуль расчета АРМ Win Structure 3D. Данный модуль позволяет рассчитывать в общем случае трехмерные стержневые системы с различными соединениями элементов между собой, опорными закреплениями с необходимой подвижностью, в том числе с упругими опорами.
Данный комплекс был использован для рамной конструкции крепи горной выработки применительно к условиям шахт Донского ГОКа, характеризующихся значительным горным давлением в условиях сплошного сводо-образования. В работе [28] на основе экспериментально-аналитического метода была найдена нагрузка на раму крепи откачной выработки шахты «Молодежная». Посредством значительного объема статистической обработки данных она составила при шаге установке рам в 0,5 м:q- вертикальная нагрузка,я = 0,148 МПа; X - коэффициент бокового распора; X = 0,777. q6= q X =0,115МПа.
Расчет начинается с задания расчетной схемы. В данном модуле расчетная схема задается с использованием встроенного чертежно-графического редактора. Расчетная схема данной конструкции крепи (вид спереди) соответствующая рис. 2.6. изображена на рис. 3.18. В соответствии с типовым паспортом крепления откаточных выработок шахты «Молодежная» Донского ГОКа рама крепи выполнена из СВП-22, верхняк - круговой с радиусом в 1,7 м, стойки - прямые без наклона длиной по 1,6 м.
Таким образом, расчетная ширина крепи составила 3,4 м, а высота - 3,3 м. Данная выработка имеет площадь поперечного сечения в свету 9 м , вчерне -11,4 м . Опоры приняты шарнирно неподвижными, что отвечает фактическому закреплению рам в почве выработок. Расчет производился на заданную нагрузку при исчерпании крепью своей податливости, когда она работала в жестком режиме с использованием своей полной несущей способности.
После задания геометрических и механических характеристик рамы крепи и действующей нагрузки производится ее статический расчет и расчет на устойчивость. В результате статического расчета на основе теории прочности Мизеса выдается эпюра распределения наибольших эквивалентных напряжений по поперечным сечениям рамы крепи. Наиболее наглядно она представляется в виде цветной карты напряжений и деформаций, где каждый цвет определяет величину напряжений в соответствии с установленной шкалой. На рис. 3.19. показана карта напряжений и деформаций, отвечающая принятой расчетной схеме.
Из этой карты видно, что наибольшее эквивалентное напряжение в раме равно 929,7 МПа, что в 4,4 раза превосходит предел прочности (R=210 МПа) материала крепи (ст.З). Такое положение не может не привести к катастрофическому положению с креплением подготовительных выработок (штреков скреперования и откаточных выработок) на шахте «Молодежная». Повсеместно рамы крепи сильно деформированы, в некоторых случаях крепь разрушена полностью. Для ее восстановления бурятся горизонтальные шпуры, устанавливаются штанги, под защитой разбираются и заново возводится крепь, что является очень опасным процессом с точки зрения безопасности производства работ и экономически дорогостоящими и необоснованными затратами.
Из карты напряжений и деформаций видно, что наиболее нагруженными элементами крепи являются стойки, деформации которых происходят внутрь, а верхняк при этом поднимается. К такому же выводы привели замеры перемещений точек рам крепи в работе [28]. Подъем замка верхняка рамы крепи на первом этапе ввода ее в эксплуатацию объясняется плохой забутовкой выработанного пространства в верхней части рамы. Что касается преимущественного разрушения стоек рам крепи, то это подтверждается многочисленными наблюдениями за состоянием рам крепи в процессе эксплуатации.
