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.,

4. ПРОГРАММИРОВАНИЕ КРЕПЛЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ

Разрушения у выработок при разработке пластовых месторождений являются основной проблемой сдерживания производительности и безопасности работ. Методы расчёта таких зон в основном опираются на экспериментальные данные и не учитывают их обусловленность структурой пород. Это сдерживает развитие систем мониторинга и контроля состояния массива у очистных забоев, где постоянно изменяются параметры горного давления и необходимо их периодическое прогнозирование. Экономически целесообразная выемка опирается на новые приёмы управления боковыми породами, среди которых выбор оптимальных параметров забоя и способов отработки, при этом расширяется применение технологий с анкерным креплением.

Многие вопросы взаимодействия таких обновляющихся систем ещё не решены. Ранее развитие нарушенных зон исследовались на основе резонансного метода, (фиксировались отслоения по тонким углистым прослойкам, ослаблявшим сцепление достаточно мощных слоев). Его опытно-промышленная проверка в ряде зон не выявляла нарушений. Но затем в них происходило массовое обрушение на мелкие плитки. Гликман А.Г. считает, что факты мелко-плиточного массового обрушения порождены наличием естественного нарушения, когда трещины, обусловливающие разрушения на плитки накапливаются под действием непрерывных колебаний массива. Для расчётов по [5–9, 39], с растрескиванием вдоль и поперек напластования и с учетом особенности обрушения пород при сводообразовании с достижением зон, где достигается предельный пролет очередного свода, формирование аналогичных зон, откуда начинается разрушение, возможно при меньшем различии прочностных свойств по сравнению с основным массивом. По контактам слоев, возможен ввод любых прочностных характеристик, обуславливающих процессы отслоений с последующими поперечными разрушениями пород.

Можно утверждать, что в мелко-плиточной ослабленной системе, по Гликману А.Г., происходят такие же процессы формоизменения с сочетанием отслоений и поперечных разрушений, что следует из визуальной картины обрушений. Наблюдаемые же на шахтах массовые мелкокусковые обрушения, за лавой отделяющиеся по ступенчато – наклонной линии над крепью, имеют тот же механизм, нужны лишь относительные одинаковые прочность сцепления пород по контактам и мощность слоев. Близки по механизму мелко-плиточного разрушения и расчеты на основе [5–9].

Нарушения обычно моделируют в виде группы слоёв, залегающих у выработки. Они имеют аномальную упругость, например, в несколько раз меньшие коэффициенты деформации Kеi и Пуассона, μi или содержат первоначальные трещины, залегающие под некоторым углом к напластованию αі, длиной Li, шагом ti. Слои могут рассматриваться склеенными или расслоившимися.

Обычно вывалообразование в рамках одного слоя характеризуется временем протекания от начала до тех пор, пока не достигнута поверхность следующего слоя. Здесь происходит замедление, а затем обрушается следующий слой. Время замедления зависит от многих факторов: характеристик пород, расположения выработки, если подпором крепи можно предотвращать выпадение кусков породы, то трещинообразование усложнить сложнее, но оно может быть замедленным и явно не выраженным.

Анализ существующих методов расчета таких зон показывает, что ни один из них практически не используются в известных системах управления выемкой и причинами этого является не уровень развития технических и электронных средств, но недостатки самих методов. В основном используются эмпирические зависимости, не учитывающие постоянно текущие разрушения. Кроме адекватно построенной теории, необходимо иметь логику полученных процессов, объясняющую полученные факторы. Так, в практике шахтных наблюдений на поверхности забоя и выработок фиксируются «аномальные» факторы – открытые зияющие трещины, уходящие вдоль забоя параллельно кровле и вглубь. Учитывая сжатие массива вертикальным давлением особенно на больших глубинах разработанные модели должны давать им качественную, а затем и количественную трактовку. И таких «затруднений», поставленных практикой, не мало.

На рис. 4.1 представлен поперечный разрез у забоя расчетной многомерной схемы. Учитывается весь спектр боковых пород, участвующий в формировании схемы сдвижения и обрушения пород за забоем, или могут использоваться имитаторы влияния пород, если их применение строго оговорено (рис. 4.2). В продольном сечении учитывается вид сдвижения пород: периодические обрушения, сводообразование и смыкания пород кровли и почвы [4, 5–9, 11], а также особенности запредельного деформирования призабойной части пласта [5, 6]. Решение строится на основе модульности расчетной схемы, с разработкой правил подключения и замещения одних модулей другими и создания на их основе моделей для новых технологий. Анализ процессов базируется на выявлении НДС в опасной зоне и формирования условий разрушения. По [11] рассчитывались достаточно толстые слои и мелкослоистость самого слоя не учитывалась. Конечно-элементное моделирование позволяет устранить этот недостаток. Сдерживание разрушения в модели может производиться за счёт управления свойствами нарушенной зоны: Кеi, μi, восстановлением её сплошности склеиванием и прикреплением к более мощным и прочным слоям, т. е. в традиционных рамках механизма воздействия на массив анкерной крепи.

4_1.tif

Рис. 4.1. Расчетная схема: 1 – подготовительные выработки; 2 – механизированная крепь; 3 – разлом между участками забоя; 4 – «аномальный» фактор – зияющая трещина вдоль напластования; 5 – нарушение с анкерным креплением; 6 – боковые породы

Возможно создание и такого сочетания деформаций нарушенной зоны, при которых обеспечивается распределение напряжений, сдерживающее разрушение пород. Опираясь на известный опыт, неустойчивые в результате мелкой трещиноватости слои можно моделировать снижением их модуля деформации от четырех до десяти раз, по сравнению с окружающими породами.

4_2_1.tif

а

4_2_2.tif

б

Рис. 4.2. Контурная модель левого блока: а – построение сетки; б – деформированные контуры архитектуры; 1 – сводообразование; 2 – пласт с зонами дезинтеграции призабойной части; 3 – мелкая сетка по пласту и выработкам; 4 – выработка; 5 – механизированная крепь; 6 – контуры свода; 7 – контуры слоев у свода

Более сложны модели, когда в расчетную схему с заданным шагом внедряются характерные трещины. На первый взгляд может показаться, что наиболее верным подходом является 3D-моделирование, однако анализ работ показывает, что оно применяется эпизодически. Это объясняется тем, что чаще всего анкеры устанавливаются параллельными рядами и НДС в этих зонах повторяется. Надо учитывать и то, что в реальности свойства массива изменяются скачкообразно по случайным законам распределения, кроме того, естественная трещиноватость и системные трещины – разломы поперек длины забоя, разделяющие его на блоки, затрудняют выбор размерности. Необходимая точность расчёта в [5–11], может быть достигнута только при работе в режиме обратной связи, когда производится периодическое сравнение прогнозируемых результатов с реальными, замеряемыми в массиве пород, с переходом в случае необходимости с основной на дополнительную модель. Обычно это происходит при вырождении одной среды и её замене на другую (например, среды на основе классической теории упругости на среду, в основном построенную из балок и полос и т. п.). Если разрушение определяется по предельным эквивалентным напряжениям [11], то выделяется зона, где они достигают критического значения, оцениваются размеры разрушенной зоны, затем она удаляется из расчетной схемы, далее расчёты в образовавшейся новой конфигурации продолжаются. Однако здесь не учитывается возможность внутреннего структурообразования в массиве, например, отслоения или переходов структуры по типу уплотнение – разуплотнение.

Поэтому введена возможность учета особенностей структуры массива и рассмотрено формообразование для трех характерных элементов горного массива: уплотнения – разуплотнения, о котором упоминали в группе Кузнецова С.Т., отслоения распространяющегося по напластованию и поперечного разрушения слоя, что особенно важно для расчета состояния пород окружающих выработку. Первое малоизвестно и не представлено в виде механической модели среды, хотя иногда используется для описания горной среды, находящейся под предельными сжимающими нагрузками [5–10]. Для этого введена зернистая структура породы, состоящая из множества сгруппированных зерен, между зернами в одной группе имеются зазоры, которые могут сжиматься, обеспечивая плотную упаковку зерна, но при этом зазоры между группами зерен могут оставаться неизменными или даже увеличиваться, что в целом приводит к возможности большей деформации, без видимого разрушения среды, при восприятии сжимающей нагрузки. Это позволяет программно описать скачкообразное изменение модуля деформации, что часто используется для моделирования зон опорного давления в целиках или у лав и хорошо объясняет появление 3–4 пиков давления с амплитудой снижения при приближении к поверхности забоя, что следует из исследований Черняка И.Л., Зорина А.Н., Машковцева И.Л. Заметим, что такие же схемы при уточнении условий могут использоваться и к расчёту блокообразования по Глушихину Ф.П., по слоистому периодическому обрушению непосредственной и основной кровли. В выполненных нами расчётах значительная доля разрушений – отслоения они происходят многократно, прежде чем наступит иной вид разрушения. Это согласуется с положениями Кузнецова С.В., утверждающего, что отслоения есть ведущий фактор разрушения и неустойчивости выработок. Методика хотя бы в качественном отношении применима для мелкокускового обрушения. Учёт трещиноватости массива, ползучести, прочности в основном позволяют корректировать расчёты в количественном выражении, тогда как для идентификации действующего состояния следует использовать глобальные факторы вдоль и поперёк лавы (3 модели обрушения пород). В этих моделях из трёх возможных формоизменений массива по [5–10], возможно любое, поэтому создается приоритетный механизм для выбора на текущий момент наиболее вероятного. Расчёты показывают, что зоны одного вида разрушения (отслоения) могут циклически перескакивать в разные области массива, с последующим сосредоточением разрушения в наиболее вероятной зоне, что подтверждается известными данными, включая и исследования сейсмоакустического излучения от предельно нагруженного массива [40]. Для мелкослоистых пород фиксация таких разрушений позволяет дать характеристику временной протяженности процесса. Если исходить из непрерывного развития стохастических микроразрушений в массиве со средним временем одного из них Δt, то магистральное разрушение произойдёт через время:

19.wmf

20.wmf (4.1)

где Δtмик – среднее время разрушения микрослоя; tv – среднее время выстоя слоя, пока в нём не начнётся разрушение; n – количество микроразрушений.

К недостаткам модели [6–10] относили принятие длины разрушения, равное элементу разбиения расчётной схемы без определения её фактической длины. Однако для приоритетного разрушения, единичный акт не рассматривается остановившимся, и при появлении иного приоритета рассматривается новая зона, где может иметь место и другой вид разрушения. Т.е. ситуация в первой зоне не рассматривается, пока для неё не будет достигнут новый приоритет, позволяющий вернутся к продолжению ранее отставленного направления. Конечно, элемент разбиения при этом должен быть небольшим и не превышать длину возможной трещины.

Рассматривая особенности формирования системной трещиноватости, следует учитывать и формирование системных трещин, поперечных относительно лавы. Это следует и из термодинамического состояния таких систем, включая и логику механики смещения пород, рис. 4.1. Так, в кровле и почве имеется магистральное направление максимальных деформаций, проходящее нормально к линии лавы через середину полости, образованной выработанным пространством. Последующие трещины образуются в середине полупролётов, так как после разделения их верхние торцы по линии облома прижаты друг к другу и тормозят дальнейшее опускание. Кроме того, в этой зоне максимально поднимается почва пласта так, что обрушенные породы могут подбучивать кровлю. Исходя из теоретических расчётов на основе теории упругости такие подъёмы незначительны, однако при схемах деформирования с учётом «уплотнения – разуплотнения» они достигают 10–20 % от мощности выработки. Таким образом, полупролёт оказывается поддержанным слева и справа и начальная ситуация повторяется. Максимальная деформация вновь возникает в середине. По существу у лавы массив может быть представлен отдельностями, каждая из которых поддерживается пластом и секциями крепи. Обычно готовится твёрдотельная модель такой отдельности, а далее её объект копируется необходимое число раз для получения всей лавы. Контактные условия их сопряжения могут быть различными, если трещины поперёк лавы не развиты, то можно склеить объекты, в противном случае ввести между ними контакт-элементы и обеспечить возможность совместной деформации поверхностей с заданным коэффициентом трения. Однако решение таких задач при построении конечно-элементной сетки сопряжено с большими трудностями из-за множества элементов, включаемых в решение и выделяемых площадей для наложения граничных условий. Так, если поперёк лава разделена четырьмя трещинами, то она рассматривается как система из 4 блоков, включающих кровлю, почву, нарушения и оборудование. Два средних во многом аналогичны, а два крайних должны содержать транспортную и вентиляционную выработки. Опыт показывает, что наиболее тяжело нагружены сопряжения, над которыми часто развиваются явления описанные в виде раздробленного свода пород кровли [39, 40], хотя ранее нарушения там не фиксировались. Сопряжения часто зажимаются, ухудшая ситуацию в лаве. Поэтому при моделировании в этих зонах следует ввести нарушение. В целом же введение зон анкерного крепления, переход на 3D-модели и тестирование «аномальных» факторов облегчат исследование новых альтернативных технологий добычи, которые уже наработаны и внедряются в ряде развитых стран.

Рассмотрим вариант с неоднородностью на одной из сторон выработок, например, для этого выберем её правый бок. В этом случае мы сможем сравнивать полученную картину напряжений с картиной на левой стороне, где имеем нормальное взаимодействие бока выработки с кровлей. Рассмотрено 4 слоя, что позволит программно управлять геометрическими параметрами одного из них, придавая ему свойства весьма слабых пропластков с низким модулем упругости. Это позволит моделировать влияние таких ослаблений в пачке слоев или возникающие отслоения целой пачки от основной кровли и расслоение самой пачки слоев. Использование МКЭ допустимо в том случае, если имеется гарантия управления сеткой конечных элементов, а результаты подтверждаются данными, полученными в аналогичных условиях.

Методы моделирования. При плоском моделировании воздействие анкеров аналогично полной или частичной склейке скрепляемых слоёв. То есть неустойчивые слои склеиваются между собой, а затем полученное НДС сравнивается с таковым при отсутствии склейки. Роль анкеров учитывается тем, что cклеивание можно произвести с определенными шагами, поэтому модель слоя должна быть дискретна для зон склеивания и целостная, поскольку представляет единый слой. Кроме того, в рамках слоя можно создать участки для приложения к ним усилия от распора анкерного винта; такую же нагрузку, но обратную по знаку, создаем и в зоне закрепления анкера в прочной породе. Для уточнения концентраций напряжений производят 3D-моделирование цилиндрической полости, куда вставляется модель стержня, склеиваемая с заданными участками пород. Отверстия можно заполнить и контакт элементами для моделирования условия сопряжения стержня анкера с материалом заполняющим трубчатую полость между стержнем и породами слоев. В нижней зоне анкера, если имеется винтовая стяжка по площади круга, можно приложить равномерно распределенную нагрузку, прижимающую слои, и такую же суммарную нагрузку, направленную в противоположную сторону, приложенную к нижней части анкера, для моделирования силы, действующей на стержень анкера. Заметим, что эти схемы моделирования позволяют выполнить хорошие визуальные картины крепления, но добавляют проблемы составления линейных уравнений из-за обилия мелких сложных элементов, что затрудняет построение конечно-элементной сетки, практически не добавляя точности для построения зон разрушения. Поэтому оптимизацию конструкции анкера можно проводить на упрощенных 3 D-моделях.

Результаты. НДС по линии кровли вдоль сечения выработки, включая зоны пласта слева и справа, дает возможность определить важные характеристики нагружения на прилежащие к выработке торцы пласта.Можно расчитать и устойчивость кровли, например, от растягивающих напряжений вдоль поверхности, где часто возникают направленные вертикально вверх трещины, вызывающие вывалообразования, рис. 4.4, а. Парная система обозначений графиков введена для лучшего их распознавания справа и слева на черно-белом фото. Вначале напряжения в левой части выработки существенно выше (σу слева в 1,27), что объясняется «уходом» от нагрузки (на рисунке это не показано) более податливых зон нарушения. Как и ожидалось по линии вверх от середины выработки σу, на контуре близки к нулевым, а для σх имеется зона, где действует растяжение, причём оно максимально не на поверхности кровли, а несколько глубже, что объясняется расположением слоёв нарушений над выработкой. Такое распределение повышает вероятность появления нормальных к напластованию трещин в кровле.

Плоское и объёмное решение, выполненное при одинаковых параметрах их пород (см. табл. 4.1) дает близкую картину распределения НДС, хотя имеются и отличия. Так, количественно напряжения в области максимумов отличаются по величине до 12 %. Если слои нарушения расположены над боком выработки, то каждый из них может дать пик напряжений в опорной зоне. Влиянием структуры КЭ объясняются не нулевые, хотя и близкие к ним значения σу на поверхности. Можно утверждать, что МКЭ в объемном моделировании качественно верно интерпретирует реальное состояние массива, но в тоже время плоское моделирование во многих случаях должно сохраняться. Это особенно важно для систем расчёта с обратной связью, для которого необходимо сохранение качественного влияния элементов расчетной схемы на НДС при более быстром расчёте прогноза. Этого достичь в плоском моделировании проще, поскольку основу точности расчёта в МКЭ – способность постоянного контроля сетки КЭ обеспечить намного легче. Строя же объёмную модель, следует начинать с проектирования наиболее сложных в геометрическом и силовом отношении зон. Далее спроектирована система из 4 анкеров. Они внедрены в блок шириной 1 м. Глубина выработки 208 м, имитируется весь столб пород. Ранее была рассмотрена деформация слоёв без укрепления анкерами, и хотя их удельный вес принят максимальным деформация, происходит без открытия трещины отслоения за счёт сжатия массива горным давлением. Однако при опускании пород происходит ослабление контактных усилий между толщей и слоями и, следовательно, также как и при обычном отслоении, сопровождается усилением растяжения нижнего контура слоёв.

Таблица 4.1

Исходные данные

Зоны горного массива

Вид задачи

Модуль деформации

Коэффициент Пуассона

Плотность

Мощность слоя

1

2

3

4

5

6

Верхний слой

1. Задача о нарушениях

3e5

0,2

2000

45–170

Нижний слой

 

3e4

0,25

3000

0–45

Пласт

 

5e4

0,3

3000

20–23

Нарушение (расположение слоёв видно на картинах НДС рис. 3

7e3

0,37

2000

23; 24

24,0; 24,8

24,8; 25,6

25,6; 26,6

1. Непосредственная кровля

2. Объём без анкеров

4e4

0,3

3000

0–2

2. Верхний слой

 

11e4

0,25

2500

2–200

3. Почва и бока выработки

 

9e4

0,3

3500

0–8

Структура аналогична п. 1, 2

3. Объём с анкерами

Структура и свойства пород аналогичны

     

Анкера (диаметр 0,02)

 

3е10

0,25

7000

 

Породы до поверхности

4. Задача с тупиковым забоем; параметры непосредственной кровли такие же как в задаче 2

5e4

0,3

2500

5–200

1

2

3

4

5

6

2. Верхний слой

 

11e4

0,25

2500

2–5

Имитатор

 

11е4

0,25

2500

2–2,1

Нарушение встроено по п. 1

 

1e4

0,35

2500

0–2

3. Почва и бока

 

9e4

0.3

3500

0–16

Анкеры установлены по линии середины с расстоянием 0,5 м между ними, остальные – слева и справа на расстоянии 1 м и склеены со слоями, которые прошивают. Поэтому сшивка способствует прекращению разделению слоев, а следовательно, уменьшит растяжение нижней поверхности контура и уменьшит условия раскрытия вертикальных трещин.

Графики которые приведены на рис. 4.3 относятся к случаю, когда в расчётной схеме спереди и сзади добавлены участки без анкеров, увеличивающие протяженность выработки, которая заканчивается тупиком, что характерно схеме выемки, когда в одной их выработок ведётся проходка. В анкерованной кровле в зоне ослабленных пород с модулем деформации в 4 раза меньшим, чем в 1 случае напряжения на много меньше, чем при отсутствии таковой, т. е. за счет возможности к деформациям она приспосабливается к давлению. В то же время вокруг анкеров имеет место концентрация напряжений. Пики напряжений имеются и в самих анкерах поскольку они склеены с массивом и воспринимают его нагрузку. Так, в пике справа σх изменяется в среднем от (92 до –16)∙104 Па. При более прочной породе нарушений, когда моделировалась полоса шириной в 1 м, максимальные значения увеличивались до 3 раз. Поэтому правильная установка анкера есть технологическая и конструктивная проблема, связанная как с пластификаторами клеящей смеси для обеспечения равномерной передачи давления между анкером и скважиной, так и прочностью самой породы. Для прочной породы применение пластификаторов позволило бы эту разницу уменьшить. Поскольку порода, в которую заглубляется анкер, считается прочнее той, которую он пронзает, то для последней можно применять дисковые верхняки диаметром до 0,2 м, поджимающиеся к кровле и передающие часть нагрузки с зоны склея на поверхность кровли. Но при этом крепление в верхней части прочных пород без разработки специальных конструкций – проблематично. Сравнение с результатами расчётов в таких же условиях, но без анкеров показывает, что напряжения σх уменьшились почти в три раза, однако в узких зонах контакта с анкерами они, наоборот, увеличились на 30 %, поэтому выигрыш может в реальности не быть решающим, если не предпринять условий для пластификации контактных зон. В противном случае преимущества анкерного крепления будут сведены к обеспечению защитной корки над зоной обрушения, при ограниченном влиянии на НДС. Ещё одна проблема связана с точностью объемного решения, поэтому приведём (рис. 4.3 в) результаты расчёта, когда имеем не равные слева и справа напряжения σу, сжимающие торцы выработки (справа меньше на 10 %), хотя расчетная схема симметрична. Это связано с трудностями контроля построения сетки, в объёмном решении. На рис. 4.4, а дана картина распределения σх у выработки (плоское решение), совмещенная с особенностями деформаций. Они таковы, что вызывают перекос выработки и в данном случае почва, как и вся левая часть, опущена больше, чем правая, что объясняется эффектом выдавливания более деформируемой части нарушения. Такие картины зачастую наблюдаемы на шахтах, а при наличии дополнительных полостей слои пород могут деформироваться, как породы – мосты с балочными эффектами [10]. Перегруженность торцов выработки, и особенно слева, вызывает дезинтеграцию пластовой части. Вероятны трещины, бегущие вниз от почвы из-за относительной равномерности растяжения (см. затемненные зоны, рис. 4.4, а), которая имеет максимальную глубину на середине выработки, что также часто наблюдается на шахтах. Для зоны справа от выработки (рис. 4.4, б), возникнет вертикальная трещина, (стрелка справа), которая отделит часть пласта у торцов, и напряжения теперь больше справа от выработки (рис. 4.4, а).

В данном случае податливая порода зоны нарушения не оказывает достаточного сопротивления от бокового давления, что и приводит к появлению растяжения вдоль оси х над пластом. Самая верхняя зона растяжения в породе прямо над нарушением опасна в том смысле, что если допустить вывал нарушения, то будет инициировано и обрушение уже более прочных слоев кровли. Анализ σу (рис. 4.4, а) показывает, что зоны растягивающих напряжений вызывающих отслоения существуют у каждого слоя нарушенной зоны в их началах, что в совокупности с зонами растяжения по x говорит о действии здесь всех факторов формоизменения «отслоение – поперечное разрушение», вызывающих вывалообразование и выпадение кровли, а также разделение пласта.

4_3.tif

Рис. 4.3. Фото с экрана: а – плоские решения, напряжения по линии кровли выработки и пласту; б – объёмные решения у анкеров, напряжения по линии кровли, анкерам и пласту; 1 – σх; 2 – σу; 3 – σi; 4 – τху

Вместе с тем общую дезинтеграцию пласта справа и слева предотвратить трудно и она будет распространяться: слева под действием сжатия, а справа – растяжения. Уже понятно, что укрепление нарушения анкерами полезно от отслоения и обрушения, а также и от высыпания в выработку. Возвращаясь к рис. 4.3, а для случая перераспределения нагрузки на правую часть, отметим, что σу больше, чем в левой, на 20 %, поэтому анкеры могут вводиться и в пласт. Здесь первый участок дезинтеграции появится на глубине около 0,5 м, т. е. 1,5 м. Соответственно и глубину анкеровки следует вести на 2 м. Отслоение нарушенной зоны над выработкой (рассмотрено и отслоение пород слоя, смыкающегося с левой стороны нарушения) стимулирует появление охватывающей зоны, где вертикальные напряжения близки к растяжению. С учетом запредельного состояния пород, прошедших предварительный обжим предельным давлением, такие зоны, имеющие линии скольжения, разуплотнены, что проявляется в небольшом сопротивлении при внедрении в них пальцевых штырей (рис. 4.4, в). И в данном случае укрепление всей этой зоны анкерами уместно. Здесь при моделировании для контроля и упрощения решения между отслаивающимися элементами вставлен низкоупругий проставок, позволяющий облегчить моделирование. Приведены результаты для случаев, когда во всех зонах проставки имеем растяжение по вертикали, что свидетельствует об отслоении и отсутствии в этих зонах вторичных контактов между отслоившимися поверхностями. В вышезалегающей зоне также возникает зона горизонтального растяжения, и четко просматриваются зоны вертикального трещинообразования в почве и пласте. Величина растягивающего напряжения на контуре кровли в данном случае увеличилась на 40 %, что еще раз актуализирует проблему укрепления этой зоны. Однако в данном случае понадобятся системы, обеспечивающие глубину анкеровки не менее чем на мощность выработки. Представленные картины НДС в реальности являются мгновенными фото состояния изменяющегося массива. Методически удается учесть два фактора движения: за счет ввода в программу формул, учитывающих подвигание забоя и за счёт формоизменений. В тоже время существует и третий фактор – ползучесть и использование выражения (4.1) – попытка более тесно связать её с текущими данными, получаемыми из забоя.

Выводы. Объемное моделирование позволяет выявить особенности управления кровлей в конкретных условиях с учётом предварительного сжатия пород горным давлением и дилатации при проведении выработки. Использование анкеров создают оптимальные условия поддержания при применении клеющих составов, с равномерной склейкой и деформированием по всей длине анкера, а также при использовании дисковых верхняков. Наличие анкеров позволяет регулировать давление на боковую часть выработки, над которой находится нарушение, но оно не однозначно и зависит от степени обеспечения целостности слоев кровли.

Более жесткая часть выработки, не находящаяся в зоне нарушения, заметно перегружается. В конкретной обстановке для каждого соотношения модулей упругости слоёв над выработкой существуют свои рекомендации, а программное и геометрическое моделирование могут проводиться по предложенной методике.

4_4_1.tif

а

4_4_2.tif

б

4_4_3.tif

в

Рис. 4.4. Фото с экрана, плоское решение: а – растяжение, вызывающее отслоение у сопряжений слоёв с массивом; б – охватывающая выработку однотонная зона σу близка к растяжению, при развитии дезинтеграции пласта слева и при наличии низкомодульной проставки σу; в – σх (стрелками показаны зоны растяжения, где возможно поперечное трещинообразование)

 


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074