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.,

3.5. Программирование процесса бурения скважины

Моделирование процесса проходки скважины проводим для схем разрушения забоя, когда исполнительные органы, совершают вращательные движения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и при подаче по направлению проходки. Такие схемы присущи комбайнам с планетарно-дисковым исполнительным органом, впервые примененном на комбайне Караганда 7.15 (Шманев А.Н., [3–9]), а ныне на комбайнах, которые, по отзывам средств массовой информации, являются верхом совершенствования проходческой техники (SpageХ Илона Маска и Геохода из РФ).

Имеются намерения применить их и для освоения недр Луны. Последний комбайн имеет два вытянутых барабана со спирально расположенными конусными резцами. Их оси параллельны друг другу и смещены к противоположным точкам цилиндрического корпуса так, что представляют из себя сдвоенную линию пересекаюших круг цилиндра вблизи оси выработки. Барабаны установлены под небольшим углом (мы рассчитываем выпуклый забой). Вращаясь вокруг оси выработки они в то же время вращаются каждый вокруг своей оси и в результате траекторию движения резца можно представить как на рис. 3.10, а.

Рис. 3.7. Известная из механики схема к расчету определения раскрытия дискообразной трещины с заданным радиусом а

В один из моментов резцы соседних спиралей барабана внедряются в забой в верхнем положении, при х = 0 (рис. 3.10–3.11) и окружное усилие от момента вращения барабана вокруг своей оси будет направлено вдоль оси Х. В данный момент также направлено и окружное усилие, вращающее оба барабана вдоль оси выработки, поэтому эти усилия можно складывать.Усилие подачи направлено вдоль оси Z. Моделирование начинаем, приняв за основу работу [34], выделяя в зоне исполнительного органа в модели пласта блок, не намного превышающий будущее сечение выработки, добавляем и равный по сечению блок с длиной до начала выработки, в который затем вставляем цилиндр и малый блок, вставляем виртуальный конус, который, повторяя контуры линии реальной конусной формы забоя, несколько превосходит его по диаметрам. Сюда же вставляем и усеченный конус забоя.

Рис. 3.8. Модели резцов на соседних спиралях, сеткой шагом 0,005

После вырезок лишних объемов получим полость выработки с забоем и серией виртуальных линий над контуром выработки. Таким образом, созданы небольшие виртуальные объемы, где сетку можно предельно измельчать, добиваясь повышения точности расчетов в зоне предельно малых деталей, по сравнению с размерами выработки и поверхности. Как указывалось, такое решение позволяет эффективно манипулировать будущими деформационными процессами. На рис. 3.11 представлен объем конуса забоя, где в зоне моделирования резцов сетка предельно сгущена, а ниже блок, вмещающий в себя виртуальный конус забоя.

Применение уравнения прямой для двух точек при расчете координат

х у z

1 точка: 0, 0,5 + 0,1, –20

2 точка 0, 0,2 + 0,1, –20–0,3

оно выглядит для плоской системы х, у:

х – х1 / у2 – у1 = у – у1 / у2 – у1

или в системе у, z: при х = у и у = z;

у – у1 / z2 – z1 = z – z1 / z2 – z1,

подставляя значения точек, получим уравнение:

у – 0,6 /–20,3 + 20 = z + 20 / –20,3 + 20

выделенных блоков пород вплоть до земной поверхности.

Рис. 3.9. Вид зоны забоя с виртуальным конусным объемом и блоком с линиями для управления сеткой: 1, 2 – резцы; м – метки, указывающие на разбивку линий вблизи резцов через меню, шаг 0,03

Имеем и линии удлиненного блока с выработкой. Сетка в её окрестности может быть реже. Далее строим колонки породы, учитываемые в модели: почвы, затем пласта и остальных вышезалегающих слоев кровли (рис. 3.13–3.15). При построении сетки все элементы были видимы и контроль осуществлен полный. Возможности контурного моделирования позволяют на фоне слоев пород видеть все особенности модели: границы слоев, нагрузки на забой от резцовых групп, нагружение резцов от сложного вращения барабана исполнительного органа, особенности структуры забоя и выработки и особенности разбиения линий для построения сетки. Решение задачи длилось не более 1 мин, что свидетельствует о возможности уменьшить размер сетки и повысить точность решения. Были закреплено основание модели, а боковые стороны оставлены свободными, что позволяет им деформироваться. Допущение сделано по исследованиям глобальной трещиноватости пород, идущих на большую глубину.

а

б

Рис. 3.10. Траектории резцов (а) и их установка по центральному сечению выработки, 202 – точка центра основания конуса резца (б)

Они могут оконтуривать отдельности и хотя они не призматической формы, но в первом приближении мы рассмотрели таковые. Методически же, более точное моделирование контуров тел, составляющих отдельности, можно выполнить, при наличии такой информации.

Рис. 3.11. Этапы построения сетки – виртуальный конус у забоя конусной формы со сгущением в зоне резцов

Рис. 3.12. Построения сетки – виртуальный малый блок у забоя вмещающий конус

Рис. 3.13. Моделирование этапов построения породной колонки до поверхности земли х 800, z – 600

Величины смешения блоков будут весьма небольшими, и, рассматривая боковые поверхности без связей, мы должны рассматривать малые боковые деформации. Это связано с тем, что хотя блочность структуры недр обоснована и между разломами из-за наличия воды и размокающих пород связь ослаблена, но она есть. На рис. 3.16 они представлены по осям X и Z, их характерной особенностью являются полосы близких деформаций (они по боковым поверхностям близких цветовых тонов), чего обычно не бывает в задачах с ограничением смещений.

y – 0,6 / –0,3 = z + 20 / –0,3;

y – 0,6 = z + 20;

y = z + 20,6.

Таким образом, в результате горных работ (объемы в модели небольшие) происходит перекос структурной колонки пласта, а значит, давление на забой может получать дополнительное приращение обоих знаков.

Рис. 3.14. Схема решения и максимальные деформации породной колонки: по осям Х и нагрузки на резцы, гравитация, ограничения и особенности деформации породной колонки Z

В данном случае забойная часть будет несколько разгружаться, а у устья выработки пригружаться. Приведены и картины полос нормальных напряжений, и их экстремальные значения, которые вовсе не обязательно располагаются у резцов. Интересен график напряжений по линии, проходящей над резцами параллельно образующей конуса. Интенсивные скачки напряжений происходят у резцов, а сразу же с отдалением от них они резко уменьшаются и достаточно равномерно продолжаются в пространстве между ними, что обычно свидетельствует о факте их хорошего взаимодействия, когда концентрации напряжений максимально «помогают» друг другу и в этих зонах устойчиво развиваются трещины. Эти особенности имеют место и с удалением линии от зоны резцов, но как и следовало ожидать, наступает такой момент, когда равномерность напряжений между резцами (на большом удалении) нарушается. Интересно и распределение напряжений по лучу, исходящему из центра основания конусного резца через острие, с расчетом координат второй точки на основе уравнения прямой, проходящей через две точки.

Рис. 3.15. Напряжения над резцами по линии параллельной образующей конуса: для точек, 0,0.5,–20,0 и ,0, 0,0.2,–20–0.3,0

Анализ напряжений показывает, что на расстоянии до 0,005 от резца в пространстве между резцами действует отрывное напряжение меньше предельного для породы в 10 раз, а прямо под резцом напряжение сжатия превосходит во столько же раз предел сжатия. В таких условиях произойдет стружкоотделение. Без учета горного давления эти напряжения будут меньше предельных значений.