Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПРОГРАММИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ И ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ ЗАБОЕВ ГАЗОУГОЛЬНЫХ ШАХТ

Жетесова Г. С., Бейсембаев К. М., Нокина Ж. Н., Телиман И. В.,

1.2.1. О дезинтеграции массива

Направления развития РК во многом определяются государственными программами инновационного развития. Так, в течение 2–5 лет предусматривается интенсивная разработка полиметаллических руд, где существенное значение выделяется программе компании «Тау-кен Самрук». Продолжаются изыскания для ТОО АrcelorMittal в области улучшения металлургического производства, связанных с задачами увеличения добычи коксующихся углей. Это в определенной степени зависит и от улучшения существующих схем добычи пластов, а также вовлечения в добычу новых и, в частности, забалансовых запасов. Разработка технологий на современном этапе не может не учитывать реальное состояние недр, поскольку основные запасы, расположенные в идеальных горногеологических условиях, уже отработаны. Учет влияния нарушенности сегодня должен сочетаться с новыми проблемами проектирования, связанными с универсализацией оборудования и технологических процессов. В горном деле, не смотря на кажущиеся крупные различия в технологиях разработки рудных и пластовых месторождений, задачей ученого является определение в них общих моментов и создание высокоточных моделирующих и проектных комплексов. Поэтому научный и образовательный подход должен учитывать универсальность и стремиться к ней по двум направлениям: на основе разработки близких технологических приемов выемки с техническими средствами реализации и на основе расчетных методик в области моделирующих и управляющих систем. Это особенно актуально для сложных условий разработки, где необходимо прогнозирование параметров технологии и машин, так, чтобы в каждом цикле выемки задавать новые параметры. Они определяются по расчетам и корректируются по значениям, полученным в предыдущем цикле. Режимы обратной связи надо использовать и в связи с тем, что ухудшение горно-геологических условий приводит к необходимости периодического изменения расчетноуправляющих схем и программ. Карагандинские шахты относят к сверхкатегорийным – опасным по взрыву газа метана. Это и другие обстоятельства приводят к усложнению разработки твердых минералов. Опасности для персонала очистных забоев обычно связывают с особым состоянием призабойной зоны, находящейся под огромным давлением зависающих консолей пород. Достаточно указать, что особенности распределения давления таковы, что на расстоянии от поверхности забоя кратном 2–3 мощности пласта, давление в 2–5 раз превышает значения, определяемые весом столба пород от выработки до земной поверхности.

Рис. 1.1. Структура создания и использования цифровых моделей

Структура угля содержит поры, где находится газ, давление которого в существенной мере зависит от давления горных пород. Поры могут рассматриваться как системные – образованные при формировании месторождения и материала угля под влиянием особенностей распределения давления горных пород. Диаметр пор определяется молекулярной структурой угля. Поры, в зависимости от состояния, имеют свойства впитывать и отдавать газ (сорбция и десорбция). Эти факторы придают системе динамичный нестационарный характер, способствующий развязыванию таких явлений, как горный удар и внезапный выброс угля и газа. Причем энергия выброса такова, что объем выработки заштыбовывает мелкодисперсной породой на десятки метров. Под горным же ударом понимают внезапное крупное по площади хрупкое разрушение пород вблизи выработки, выраженное сотрясением массива, звуком и образованием пыли и воздушной волны. В условиях Карагандинского бассейна такие явления чаще происходят при работе проходческих и реже очистных забоев. Это связано с тем, что удлинение лав, учащая обрушения кровли, «разряжает» опасные напряжения и заставляет их зоны деформироваться постепенно. В этом некоторые исследователи видят идею постепенного, хотя и хаотического, разрушения массива как залог предотвращения крупных газодинамических явлений. В проходческом забое обнажений меньше и соответственно «разрядка» происходит реже.

Таким образом, для безопасной выемки необходимо выявить природу и механизмы геомеханических процессов, действующих в призабойной зоне и способные влиять на НДС вокруг выработки. Как известно, у обнажений происходит дезинтеграция окружающего массива пород и пласта, то есть обособление деформационных свойств, слагающего его материалов по участкам. С переходом от зоны к зоне скачкообразно изменяются модуль деформации, пористость и трещиноватость участка, его структура и прочностные свойства. Модели зональной дезинтеграции для проходческих и очистных работ могут выбираться исходя из закономерностей, связывающих объемы и размеры этих зон, которые в свою очередь зависят от приближенности работ к земной поверхности или другим выработкам. Длины этих зон определяются исходным горным давлением, первоначальными физико-механическими свойствами пласта, контактными условиями связи с боковыми породами и соседними участками. Иногда, с учетом существенного отличия свойств угля от окружающих пород, отдельно рассматривают дезинтеграцию пластовой зоны с длиной Li.

Li = f (m, E, µ, fтрк, fтрп, σу, σx, Lx).

Здесь m, E, µ, fтрк, fтрп, σу, σх, Lx – соответственно мощность, модуль деформации пласта, коэффициенты Пуассона, трения о кровлю и почву, вертикальное и горизонтальное напряжения, расстояние от поверхности забоя в глубину пласта. В основном, имеются экспериментально аналитические выражения и программные решения для расчета этих зон на основе программ, разработанных Ю. Векслером [2], а также фундаментальных положений, выдвинутых Шемякиным Е.И., Розенбаумом М., Ставрогиным А.Н., Сапожниковым В.Т. и др. [3]. Они основаны на теоретико-экспериментальных исследованиях при раздавливании пород под большими нагрузками, когда устанавливается связь между протяженностью зон, их высоты и сжимающей нагрузки. Это использовалось в [4, 5] в качестве первых матриц, сохраняющих данные в программных массивах для последующего снабжения ими моделей участков дезинтеграции в зависимости от нагруженности и свойств пласта. Параметры зон дезинтеграции обновляются через несколько циклов подвигания работ или при достижении формоизменений – разрушений в горном массиве. При этом развитие этих методов учитывает структуру пласта, её движение под нагрузками с учетом газового фактора. Сведение теоретических положений к экспериментальной экстраполяции строится на сравнении полученных геометрических, физико-механических параметров зон и напряжений с действующими в реальных условиях. Оно основано на возможности получить допустимые приближения при корректировках параметров этих зон, модулей деформации зон и других параметров при наличии и идентификации логической структурно связанной схемы взаимодействия пород, пласта, выработок и средств крепления и выемки. Схемы взаимодействия важны, потому что приемлемых механизмов взаимодействия крепи с боковыми породами нет, а известные опираются в основном на экспериментальные данные. Зональная дезинтеграция у пластов (ЗДП) играет роль некоторой буферной зоны перед забоем, которая «смягчает» горное давление и относит его максимальную составляющую в (2–5)γH (удельный вес и глубина работ) на расстоянии свыше (3–5) м от поверхности забоя в его глубину. В результате, в развитых зонах ЗДП обосабливается часть пород, которая непосредственно воздействует на призабойную зону, причем если ее вес таков, что сравним с величиной распора крепи, то с помощью изменения её распора становится возможным управлять НДС, а значит, и условиями разрушения пород и пласта. В этом случае возможно управление НДС и распределением давления по кровле вдоль верхняка (распределение сопротивления крепи), что обычно в основных современных методиках не учитывается. Хотя, конечно, для полного воспроизводства такого механизма следует учитывать и системную трещиноватость массива вблизи забоя, обусловливающего, например, блокообразование или вывалообразование. Влияние газовой составляющей на структурообразование забоя в явном виде пока в известных работах недостаточно обосновано и в основном сводится к влиянию на способности массива сопротивляться деформациям. Впервые зональная дезинтеграция была зафиксирована вокруг выработок на глубине, где гравитационная составляющая напряжений близка к пределу прочности пород на одноосное сжатие в виде образования кольцеобразных чередующихся зон. Это явление отмечено патентом на открытие сибирского отделения РАН (Опарин, Розенбаум и др.) и было получено за счет экспериментальных замеров в реальных условиях шахт и рудников.

При моделировании зон дезинтеграции первоначально рассматривались плоские задачи на основе работ с консолью кровли, смыкающейся с обрушенными породами [6–12]. Однако смыкание пород мало кто признавал, а поэтому можно было использовать решение Кузнецова С.В., который рассматривал прямоугольный вырез в плоскости конечной длины с распределенной равномерной нагрузкой вдоль участка у одной из сторон выреза. Так имитировалась выработка, пласт также принимался жестким, а нагрузка сводилась к консоли пород, с имитацией её отпора в кровлю. Но теперь вместо определения длины, на котором произойдет смыкание пород, длина выработки задавалась в исходных данных к задаче. Консоль, в отличие от решения Хапиловой, взаимодействовала с кровлей по всей длине контакта. Здесь также можно было использовать решение Журило А.А. [12,13]. Однако и решение [12] давало удовлетворительные результаты, поскольку производилась корректировка данных на основе шахтных замеров. Методика предусматривала разбиение межслоевых контактов на участки с заданным шагом. И для составления уравнений равновесия принималось равенство деформаций между верхними и нижними участками. Причем все это выполнялось в автоматизированном варианте. То есть разбиение расчетной схемы производилось программно после ввода исходных данных, и далее автоматически составлялись уравнения равновесия. В физической схеме также имелись большие отличия. Так, между выработкой и абсолютно жестким пластом вставлялись участки пласта,из которых можно было сформировать зоны дезинтеграции. А деформации контура боковых пород кровли и почвы приравнивались к деформациям этих участков. В такой постановке открывались хорошие перспективы совершенствования решения, поскольку в блоки формул, определяющих расчет требуемых деформаций, можно было внедрять постепенно совершенствуемые выражения, так для консолей уступа можно было использовать балки разной сложности или упругопластические полосы. А для смещения вышезалегающей кровли и сплошной почвы можно было использовать выражения, составленные для функций напряжений в задачах изложенных в [12, 13]. Абсолютно жесткую часть пласта стало возможным «отодвинуть» на расстояние, где сингулярность напряжений уже не влияла, на результаты расчета в призабойной зоне. На дезинтегрированных участках пласта был введен модуль деформации, изменяющийся скачками. При этом исследования, проведенные Векслером Ю. в Marco, позволили организовать программный расчет областей разрушения [2]. Наша методика, за счет введенных в выражения для учета деформации коэффициентов, позволяет корректировать их величины, учитывая местное сжатие и шахтные данные о распределении опорного давления. По существу была создана программа, легко адаптируемая к различным горно-геологическим условиям. Важным для породно-угольного массива обстоятельством было рассмотрение разрушения трех видов: отслоение, поперечное разрушение и формоизменение при сжатии в виде скачкообразного изменения модуля упругости. Этим были созданы универсальные возможности постоянного совершенствования программы по мере развития теорий разрушения. Если первый и последний вид разрушения – формоизменения не нарушали целостность задачи, то второй – поперечное разрушение потребовал внедрения для его учета нового решения, с введением системы координат для учета поворота блока в зоне поперечной трещины и создания универсального алгоритма для использования такого образования в любом слое уступа. Координаты формоизменения записываются в массиве данных в каждом цикле расчета, а в следующем они загружаются в новое решение, чтобы учесть их в очередном цикле расчета [7, 8].

В пакетах CAD для учета разрушения имеется специальная подпрограмма основанная на анализе НДС в узлах конечных элементов и фиксируются конечные элементы, охваченные разрушением, однако разделение разрушения по трем факторам для углепородных массивов более точно отражает содержание физических процессов у забоя. Результаты учета дезинтеграции в плоской постановке приведены в [6], и они позволили существенно уточнить роль механизированной крепи в призабойной зоне. При этом чередования зон с устойчивым и неустойчивым состоянием мы далее зоны опорного давления не рассматривали. В конечном итоге у забоя мы имеем более деформированные зоны, тогда как классические зоны являются чередующимися и расположены на большем удалении. Ниже приведем элементы программы и результаты учета зон дезинтеграции в объемной постановке для забоя цилиндрической выработки. Они формируются как у торца выработки, т. е. у забоя, так и у стенок выработки. Для лав же рассмотрена только пластовая дезинтеграция.

!переход к объемной задаче

/NOPR

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7 !Переход в препроцессор

/UNITS,SI !расчеты в с.СИ

ET,1,SOLID92 !выбор типа конечного !элемента

!свойство зон дезинтеграции

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0 !отключить температуру

MPDATA,EX,1,,1e8 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,1,,0.35 !коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,1,,3000 !плотность

MPDATA,EX,2,,2e8 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,2,,0.3 !коэффициент !Пуассона

MPDATA,DENS,2,,3000 !плотность

MPDATA,EX,3,,3e8 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,3,,0.3 !коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,3,,3000 !плотность

!Свойства кровли и почвы

MPDATA,EX,4,,3e8 !модуль упругости !почвы

MPDATA,PRXY,4,,0.35 !коэффициент Пу!ассона

MPDATA,DENS,4,,3500 ! плотность

MPDATA,EX,5,,3e8 !модуль упругости !кровли

MPDATA,PRXY,5,,0.3 !коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,5,,3000 !плотность

MPDATA,EX,6,,2e8 !модуль упругости !поверхности

MPDATA,PRXY,6,,0.35 !коэффициент !Пуассона

MPDATA,DENS,6,,4000 !плотность

!Материал крепи

MPDATA,EX,7,,2e10 !модуль упругости

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

!стали

MPDATA,PRXY,7,,0.25 !коэффициент !Пуассона

MPDATA,DENS,7,,7000 !плотность

!геометризация

x1 = -3 !1 блок

x2 = 3

y1 = -2.5

y2 = 2.5

x3 = -5.5 !2 блок

x4 = 5.5

x5 = -20 !3 блок

x6 = 20

z1 = 0

z2 = -26

z3 = 0

z4 = -28.5

z5 = 0

z6 = -40

block, x5, x6, y1, y2, z5, z6 !3 блок

block, x3, x4, y1, y2, z3, z4 !2 блок

VSBV, 1, 2

block, x3, x4, y1, y2, z3, z4

vglue,all

block, x1, x2, y1, y2, z1, z2 !1 блок

VSBV, 1, 3

block, x1, x2, y1, y2, z1, z2

vglue,all

r1 = 1.5

r2 = 0

z7 = 0

z8 = -24 !длина выработки

cylind, r1,r2,z7,z8,0,360

vsbv,1,4

y3 = 32.5

y4 = 92.5

y5 = -30

block, x5, x6, y2, y3, z5, z6 !4 блок

block, x5, x6, y3, y4, z5, z6 !5 блок

block, x5, x6, y1, y5, z5, z6 !6 блок

r3 = 1.4

z9 = -10

z10 = -22

cylind, r1,r3,z9,z10,0,360 !крепь

vglue,all

Назначение операторов ясно из комментариев к строкам. Здесь построены зоны дезинтеграции в пласте с обеих сторон выработки. Это даст возможность оценить наряженное состояние и устойчивость зон, примыкающих к выработке под действием столба пород высотой до земной поверхности. Имея критерии устойчивости и формоизменения состояний пород, после пересчета и перестройки схемы можно далее достроить новые зоны, получив уточненное решение. Из структуры программы и построения модели ясны и пути учета других факторов, например, влияние соседних выработок и др. Укажем, что это можно сделать и в авторежиме [2].