Scientific journal

International Journal of Experimental Education

ISSN 2618–7159

ИФ РИНЦ = 0,425

Постановка задачи

В шахтах для перераспределения воздушных потоков по выработкам используются перемычки, они обеспечивают перекрытие направления проветривания, регулирование расхода воздуха и должны легко переустанавливаться. Но перемычки изготавливаются в виде стационарных конструкций из железобетона и снабжаются регулирующими шлюзами. Возможны и иные конструкции возводимых только для перекрытия взрывной волны, например, в Караганде А. Плотниковым был предложена оболочка в виде парашюта. Исследования в 70-е годы, выявили недостатки: парашют свободно не раскрывается, прилипает к стенке выработки, скомкивается, рвутся стропы. Разработка в ИПКОН НАН РК оболочечных конструкций для крепи безлюдной выемки (Жихорь Е.А., Шманов М.Н.) позволило рассмотреть такие конструкции и в качестве перемычек. рис.1, например, в виде цилиндров, обращенных к выработке дном или цилиндрической поверхностью (а, в) сферы б. В случае выполнения конструкции в виде тора [1], профилирование внутренней поверхности отверстия позволяет создать возможность перераспределения давления потока воздуха и обеспечить его плавное гашение. Оболочки могут применяться и в качестве крепи (г) горных выработок стационарных или передвижных, для последнего случая они предлагались в ИПКОН НАН РК как безразгрузочная крепь при безлюдной выемке угля, рис. 2. Идея заключалась в том, что протяженный тороид за счет выворачивания внутренней поверхности перекатывается по кровле и почве внешними поверхностями. Механизм выворачивания, размешался внутри тороида и представлял собой бесконечную ленту, укрепленную на комбайне впереди тороидов, которая при сматывании сцепляясь с внутренней поверхностью тора выворачивает его и он перекатывается вслед за комбайном. Тороид может размещаться и на боковых уступах (г) специально подготавливаемых комбайном, что позволяет создать поверхности для распора оболочки. Транспортно-выемочное оборудование располагается под баллонами и мобильной крепью, опирающейся на уступ. Нарушенная наклонная часть и кровля в случае необходимости укрепляется легкими конструкциями в т.ч. и анкерами.

Рис. 1. Формы оболочек для перекрытия выработки: а, в – цилиндрические, б – в виде шара, г – тороидальная

Рис. 2. Тороидальная оболочка в нагрузочном стенде (ИПКОН НАН РК): 1 – оболочка; 2 – тяговое устройства для передвижки выворачиванием; 3 – динамометр

Тороидальная конструкция, по мнению некоторых авторов (Вареха Ж.П. ТОО ИПКОН, Караганда) в случае использования как перемычки позволяет предотвращать распространение ударной волны от взрыва воздушно-метановой смеси за счёт особенностей деформации и перераспределения потока. При нагружении упругого тела происходит деформация некоторой его части и последняя накапливает упругую энергию за счёт действующей силы и силы инерции возникающей в движущейся части. Накопление деформации приводит к возрастанию сопротивления и к остановке её движения. Энергия деформации от силы инерции обеспечит движение в обратном направлении, в момент уменьшения давления потока - так возникают колебания. Аналогично, хотя и при разных значениях давления оболочка нагружается и со стороны кровли. Исследования колебаний систем достаточно полно проведены для тонких тел простой и сложной конструкции без учёта их текущего разрушения. В частности, они учтены при проведении в пакете Ansys, так называемого модального анализа для изучения достаточно большого количества форм деформированного тела. Нами же ранее были проведены исследования формообразования сложных не тонких тел и разнообразие их форм получено при приобретении им большей степени свободы, т.е. при освобождении от некоторых связей при достижении критического уровня связей [6,7].

Рассматривая же давление потока воздуха на оболочку совершающего работу А, можно её разложить на работу от статической деформации тела Ас, работу на проскальзывание вдоль выработки Апр (в отличии от железобетонной перемычки в оболочечной гашение энергии взрыва достигается не только за счёт упругой деформации, но и проскальзывания по стенкам выработки, которое произойдёт, если за счёт упругих деформаций удар не будет погашен) и динамическую составляющую Ад, что приводит к выражению:

где mвр. – высота выработки;

mб – масса баллона;

Nn – вертикальное давление по сопряжению баллона с кровлей и почвой;

fтр – коэффициент трения;

Δx – величина проскальзывания баллона;

ax – ускорение проскальзывания.

При моделировании этого процесса следует исходить из схемы взаимодействия оболочки с боковыми породами; давление в оболочке можно принимать допускаемым при настройке предохранительного клапана на соответствующую величину, однако лучшие и более точные результаты будут достигнуты при моделировании и вычислении текущего давления исходя из общего расчёта включая расчёт напряжённо-деформационного состояния (НДС). Тогда имеем возможности по управлению горным давлением и гашением ударной волны для тех случаев, когда давление и конвергенция пород таковы, что предельное значение давления, исходя из прочности оболочки на разрыв, ещё не достигнуто. При этом надо рассмотреть НДС вокруг выработки в зоне сопряжения с баллоном при его расположении вдоль и поперек выработки при различных типах оболочек.

Рис. 3. Расчетная твёрдотельная пространственная модель: 1 – верхний слой, 2 – нижний слой, 3 – средний слой, 4 – выработка, 5 – пропласток – имитатор отслоения, 6 – пласт

В первом приближении расчетная схема, рис. 3 выбрана в виде блока пород состоящего из верхнего, среднего, нижнего слоёв, с различными основными характеристиками E, μ, ρ (модуль упругости - деформации, коэффициент Пуассона, плотность), табл.1.

Таблица 1

Основные характеристики материала модели

Пласт разделяет нижний и средний слой. Выработка пройдена в середине пласта. В её центре расположена перемычка в виде шаровой оболочки, находящейся под допускаемым давлением [Р]. Задачей расчета является определение НДС и, в частности, компонент напряжений по линии над контактом оболочки и кровли вдоль сечения выработки на высоте 24, 5 м. от оси ОХ к боковому краю модели (направление II) и по вертикали от центральной части контакта оболочки и кровли (направление I). При этом следует учесть возможность отслоения среднего слоя от верхнего начиная от центра к краям модели за счёт имитатора отслоения, или наличие весьма тонкого по сравнению с основными слоями слоя типа глины с модулем упругости, который в сотни раз меньше, чем у окружающих слоев. Имитировать отслоение можно, потому что расчётные нагрузки между слоями в зоне пропластка будут на порядки меньше, чем в других и они практически не повлияют на НДС массива. Но знак напряжения при много-цикловых расчётах позволяет судить в каждом отдельном цикле о том, что соседние слои находятся в состоянии отслоения или наступило закрытие трещины при смыкании пород этих слоёв. Такая информация была необходима в автоматизированной системе расчёта для подготовки следующего после текущего расчетного цикла с целью изменения параметров расчётной схемы, при определении траектории формоизменения системы над забоем, как методом “виртуальных датчиков” - имитаторов отслоений, так и более точным методом “пылесоса” [6,7]. С этой целью были проведены испытания для широкого диапазона модулей упругости с отличием в 300-600 и 3000-6000 раз и установлено влияние модуля упругости на напряжения, что позволило выбрать характеристики имитатора.

Анализ результатов

На рис. 4 и 5 зависимости напряжений σx, σy, для случая отслоения и его отсутствия НДС вдоль направления II- позволяет характеризовать опорное давление.

Рис. 4. Распределение напряжений σу и σх вдоль линии параллельной пласту от центра выработки до края модели, близких к опорному давлению: 1 – σу при отслоении среднего слоя пород, 2 – σу без отслоения; 3 – σх без отслоения, 4 – σх с отслоением

Рис. 5. Распределение напряжений бх и бу вдоль вертикальной линии от центра выработки через средний и верхний слой: 1 – бу с отслоением среднего слоя пород, 2 – бу без отслоения; 3 – бх без отслоения; 4 – бх с отслоением

При отсутствии отслоения имеем скачок давления у торца выработки, а по остальной части массива вблизи пласта оно распределено относительно равномерно, соответственно 5,95 и 4,7 МПа (в 1,27) раз выше, σх в зоне выработки имеет несколько скачков, что объясняется а одной стороны опускаем пород и с другой поддержкой их баллоном. Значения σх в равномеро-нагруженной зоне над пластом примерно в 2,05 раз меньше чем σу в этой же зоне. Включение в расчет низкомодульной зоны приводит к существенному перераспределению напряжений, так вдоль вертикальной линии I величина скачка напряжений σх в зоне перехода средний слой - верхний слой увеличивается с 0,34 до 1,017 МПА т.е. в ~ 3 раза; σу вдоль этой оси также изменились. Так максимальное значение для этой зоны уменьшилось с 3,84 до 2,04 МПа т.е. в ~ 1,84 раза. Логично предположить, что уменьшение σу происходит в результате разуплотнения пород вдоль линии I, т.к. нижняя поверхность слоя при отслоении в большей степени смешается в выработку. Сравнивая графики опорного давления логично предположить, что перераспределение давления вызвано, тем, что средний слой за счёт более жесткого прикрепления соединён с верхним вблизи краев модели, что и определило в них большую концентрацию напряжений.

Заключение

Проанализированы некоторые оболочечные конструктивные схемы и особенности их нагружения в режимах агрегатной крепи и перемычек горных выработок, которые учитывают возможности восприятия давления боковых пород. Характеристики пород существенно влияют на перераспределение НДС, при развитии отслоения. Зависимости сложны и неоднозначны, что требует для определения конкретного состояния расчётных моделей использующихся постоянно как одна из систем идентификации.

Использование имитаторов, и в частности, отслоения позволяет упростить автоматизацию их учёта в 3d моделях при многоцикличных расчётах, когда наряду с отслоением возможно и восстановление ранее утраченных контактов. Использование имитаторов сопряжено с необходимостью постоянного контроля точности расчётов в особых зонах, что недостаточно обеспечено и в пакетах типа Ansys.

Применение камер [4] вместо громоздких лав, где горное давление управляется временными целиками, а мощная мобильная крепь применяется эпизодически при прогнозировании опасных ситуаций расчётными методами и на основе сейсмопрозвучивания массива позволит в несколько раз снизить расходы на добычу. При проектировании таких систем следует исходить из описания к [2,4], где приведена технология и организационные элементы работы при учёте геомеханических процессов сопровождающих выемку в режиме обратной связи системы управления с массивом. При этом для эффективного транспортирования угля применяется обработка камер длиной до 30 м. и работой в обе стороны от центральной выработки, что существенно снижает затраты на транспортирование и упрощает возможности автоматизации работ [5].

Но при этом потребуется изменение подходов к добыче полезных ископаемых в сторону рационального использования добываемого сырья и полостей в недрах, коренной пересмотр в применении систем надёжного прогнозирования геомеханической ситуации в очистном забое с корректировкой параметров выемки в каждом добычном цикле с учётом подвигания забоя [3]. В этих условиях разработка новых средств крепления и перекрытия выработок включая и оболочковые конструкции, с возможностью дополнительной анкеровки неустойчивых пород в выработках на основе прогнозирования в расчётных моделях является важной задачей развития горного комплекса Казахстана.