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.,

1.2.2. Особенности распознавания схем обрушения пород

В известных системах расчета пород кровли нет общепринятой модели сдвижения слоев. Их модели в основном, принимались на основе экспериментальных данных. Мы рассматриваем две схемы деформации:

1. Породы непосредственной и основной кровель обрушаются, а выше залегающие плавно опускаются на обрушенные породы. Непосредственная кровля обрушается сразу за крепью, а основная кровля в виде консолей;

2. Контур обрушения – свод в виде трапеции. Его правая нижняя часть совпадает с зоной начала работ. Левая часть над уступом пород непосредственной и основной кровли. При движении забоя влево высота свода возрастает скачками, пока не достигнет поверхности земли.

Какая из схем будет реализована, зависит от свойств и параметров пород. Распределение давлений на зону пласта у забоя (её называют зоной опорного давления) для каждой схемы – разное. Для автоматического управления следует выявить эти распределения. В частности, это можно выполнить расчетным методом. Моделируют эту зону скачкообразным снижением модуля упругости участков зоны. Величина модуля уменьшается в направлении к поверхности забоя. Длина зоны опорного давления обычно равна 5m (m – высота пласта) и в ней создают до 3 участков. В зависимости от глубины работ и параметров пласта и пород на основании стендовых исследований создают программный массив изменения модуля скачками. Его используют в модели в зависимости от текущего давления на пласт, его параметров и первоначального состояния. При движении забоя состояние зоны опорного давления изменяется. Считаем, что оно имеет особенности распределения давления в зависимости от длины и мощности обрушения слоя основной кровли и в зависимости от того какая схема обрушения (с плавным опусканием или образованием свода) происходит. Ранее мы предложили схему управления забоем в режиме обратной связи (патент СССР № 1833471. 1993. Бюл. № 29). В этом случае эти программные модели, значения расчетных коэффициентов для связи теории с практическими данными можно корректировать по результатам измерений. Это создает возможность выбора, адекватной на текущий участок движения забоя, расчетной модели. В КарГТУ созданы расчетные схемы до глубин 200–500 м. Для автоуправления необходимо выявить и характерные признаки облома мощного слоя пород, например:

– особый вид линии кровли от забоя к выработанному пространству с бóльшим опусканием со стороны выработанного пространства, если часть пласта которую нагружает консоль не продавлена (не произошло видимого разрушения пласта на глубину до 1,2 м);

– близкие опускания этой линии по всей длине, если часть пласта которую нагружает консоль продавлена;

– комплексное опускание при одновременном действии первых двух факторов.

Аналогичные схемы и модели расчета созданы и для различных схем деформации пород кровли по типу 1 и 2, [5, 7–10, 13–18]. Характерные картины выбираются по моделям и сравниваются с картиной напряжений, когда облома не происходит. Можно выполнить стендовую модель из фрагментов общей схемы. Тогда следует попеременно использовать расчет и нагружение естественных фрагментов. Сам облом в лаве фиксируется в базе данных всплесками нагрузки на гидроопоры (датчики давления и по сейсмическому излучению). Таким образом, мы располагаем трехфакторным методом анализа для определения состояния массива. Однако если наблюдения ведутся постоянно достаточно использовать первые два. Здесь рассмотрим особенности деформирования зоны опорного давления для схем 1 и 2 при плоском и объемном решении. Плоское состояние рассмотрим, как для тонких объемов. Для Ansys разработаны методы уточненного расчета НДС. В зонах концентрации напряжений размер ячейки сетки резко уменьшают. Методы адаптированы с учетом структуры пород получаемой в результате действия предельных напряжений [19] и с учетом особенностей её разрушения. Более подробно кроме списков цитирования, методика моделирования с применением МКМ изложена в в разделах 1.3.3, 1.4.2. На рис. 1.2 представлено распределение опорного давления для представленных схем. Они дополнены рис. 1.3 и 1.4, которые отличаются количественно и по особенностям распределения. Так максимальные вертикальные напряжения для схемы II больше почти в 2 раза, чем для I.

В забоях для изучения распределения давления в зонах опорного давления бурят скважины и помещают в них датчики. Хорошо известно, что здесь давление изменяется скачками, а наибольший скачок достигает 3 – 5γH (γ – плотность пород, H высота столба пород над пластом). Для схемы I это отношение около 6, а для схемы II около 3 и оно возрастает движении лавы. Таким образом, при образовании свода давление на лаву совершенно иное. Легко прогнозировать и особенности сейсмо импульсов при обрушении свода для схемы II и слоя основной кровли для схемы I. При проектировании увеличенной объемной модели, например, на рис. 1.2 или 1.33 к полученному ранее участку схемы I или II добавляют блоки имитирующий боковой массив без полостей от лавы и обрушения пород (можно и слева и справа в зависимости от условий) и склеивают их с ранее построенными, а для достижения необходимой длины забоя подготовленный со всеми атрибутами участок лавы многократно копируют. Можно моделировать и разрыв внутри забоя. По его плоскости участки не склеиваются, а обеспечивается возможность скольжения за счет контакт – элементов. Подбором псевдо упругих характеристик (модуль упругости и коэффициент Пуассона) моделируют ослабленные, трещиноватые участки пород, а также зоны с системной трещиноватостью На рис. 1.2–1.3 напряжения в зоне опорного давления для участка лавы, примыкающего к блоку с выработкой стали меньше чем для схемы I в 1,7 раз. Это объясняется тем, что относительно целостный блок разгрузил лаву и воспринял давление на себя. Таким образом, модель адаптирована к возможностям работы с коррекцией результатов на основе получаемых данных из горного массива и позволяет получить максимально адекватную расчетную схему к текущим условиям работы короткой лавы.