Разрушение пород у выработок определяет горное давление, технологию выемки, нагрузку на крепление и их схемы. Исследования ВНИМИ [1] показали, что первичное сдвижение пород приводит к их расслоению. Это вписывается и в закономерности формирования недр, позволяет выделить более вероятные формоизменения пород, точную методику расчета их состояния, рациональную технологию работ.

Цель работы: обоснование особенностей сдвижения и разрушения пород, применения программных пакетов для создания эффективных технологий выемки в сложных условиях.

Материалы и методы исследования основаны на анализе свойств пород их нагружения в очистных забоях, процессов, протекающих при формоизменениях, обоснования и применения конечноэлементных пакетов моделирования CAM для разработки методологии контроля состояния системы с применением обратной связи.

Результаты исследования и их обсуждение

Рис. 1. Формирование трещин у лавы: 1 – отслоившийся слой, 2 – поперечная трещина, 3, а1 – зона анализа напряжений σу на растяжение, b1, c1 – зоны анализа напряжений σх на растяжение – изгиб, а1’ – a1’’, b1’ – b1’’ – линии анализа напряжений в программе, 4 – разлом в левой части, 5 – зоны дезинтеграции пласта, 6 – зона максимального опорного давления, 7 – давление Р, 8, 9, 10 – зоны сводообразования, Н8, Н9, Н10 – высоты сводов

На рис. 1 представлены особенности проявления формоизменения пород у выработки. Слой 1 под действием веса отходит от кровли при

, (1)

анализируя это напряжение по линии а1’ – а1’’, определяем зону, где такое условие наступает. Далее рассматривается задача устойчивости левой половины слоя, опирающейся на обрушенные породы или зависающей в виде консоли. Решение задачи теории упругости для консольной кровли основано на теории комплексной переменной или методе конечных элементов МКЭ системы САМ Ansys APDL [2, 3]. Выявляется и местоположение отслоения. Этап формоизменения – поперечное разрушение под действием растягивающего напряжения σx может наступить по нижнему контуру в точке в1 (линия b1’ – b1’’). После разрушения в середине пролета, если слой будет оперт на обрушенные породы, возможно деление на четверти, поз. 4. Поперечное разрушение консоли произойдет в точке с1:

. (2)

Эти особенности определены слоистой структурой и намного меньшим пределом прочности пород на растяжение. В выражениях 1 и 2 σу и σх нормальные напряжения вдоль осей У и Х, [σпр1] и [σпр2] пределы прочности пород на отслоение и растяжение – изгиб. Скачкообразное изменение модуля деформации участков пород Ед учитывается для призабойной зоны, как наиболее нагруженной и объясняется спецификой деформаций угля, под большим давлением (p = 5γH, где γ плотность; Н высота породного столба). С приближением к забою происходит снижение р. Скачки Ед связаны с развитием системных трещин, когда способность участков к деформациям без видимого разрушения резко возрастает [4]. Эксперименты в лабораторных условиях это подтверждают, а опорное давление, расчитанное по этим методикам, совпадает с реальным. Построение на этой основе механизма влияния распора крепи на породы также подтверждено [5, 6]. Ширина зоны дезинтеграции пласта определяется мощностью пласта m, давлением p, растоянием от поверхности забоя x и коэфициентом сцепления пласта с почвой ftp и кровлей ftk:

. (3)

Разработчики этого опираются и на особенности расчета переходных процессов на молекулярном уровне типа: порядок – хаос – порядок, а во ВНИМИ как о системе устойчивость – неустойчивость, уплотнение – разуплотнение, в том числе основываясь на проскальзывании одних молекулярных структур относительно других с изменением расстояний между структурами и сил их притяжения. Для трёх возможных формоизменений создается приоритетный механизм выбора на текущий момент наиболее вероятного. Он позволяет рассмотреть возможности протекания формоизменений в модели. Из расчётов следует, что их зоны могут циклически переходить в разные области массива. Так, массив разрушается постепенно, протекая в разных зонах, но затем разрушения сосредотачиваются в наиболее ожидаемой, где происходит глобальное разрушение, за счет объединения зон. Это подтверждается и исследованиями сейсмоакустического излучения от предельно нагруженного массива. В то же время для мелкослоистых пород фиксация таких разрушений позволяет сравнивать эти процессы с потерей прочности массивом с течением времени. Если исходить из непрерывного развития стохастических микроразрушений в массиве со средним временем одного из них Δt, то магистральное разрушение произойдёт через время

м + tν. (4)

Здесь Δtм – среднее время разрушения микрослоя; tν – среднее время выстоя очередного слоя, пока в нем не начнется разрушение; n – количество микроразрушений.

К недостаткам модели [2, 6] относили принятие длины разрушения, равное элементу разбиения расчётной схемы. Таким элементом может быть сам конечный элемент. Выбор приоритета не останавливает процесс, который рассматривается как дискретный позволяет ввести обновленную схему расчета с возможно новым формоизменением. То есть ситуация в первой зоне «замораживается» до тех пор, пока для неё не будет достигнут очередной максимальный приоритет, и ранее отставленное формоизменение будет продолженно. Размер элемента должен не превышать длину возможной трещины, время распространения которой не превышает время нового изменения состояния массива (расчетной) схемы. Массив у лавы может быть представлен твердотельным суперэлементом, который включает пласт, секцию крепи, комплекс пород почвы, кровли и обрушения шириной до 1,5 м. Далее он копируется необходимое число раз для получения всей лавы [2]. Используя технологию суперэлементов, можно построить забой разной длины, с промежуточными вставками, имитирующими межсекционное пространство, включая и разделение забоя поперечными разломами. Имея выработки (транспортный и вентиляционный штрек) слева и справа, достраиваем модель, используя суперэлементы сопряжений. С их внешних сторон можно строить обрушенное пространство, целик, или нетронутый горный массив (рис. 2).

Рис. 3. Создание скважин через препятствия на поверхности: 1, 2 – электро- и гидропривод с группой гидромоторов, 3 – гусеничный ход, 4 – коромысло, 5 – гидропривод, 6 – буровое устройство

Здесь расчет буровых устройств также строится на Ansys, а задачи динамики – в пакете Adams. В конструкции оптимально использован гидромеханический привод на основе множества гидромоторов и зубчато-реечной передачи для подачи и вращения буровой головки, компактного размещения оборудования и гидробура на поверхности и в канаве, для складывания всех устройств на гусеничной тележке после завершения работ. Эти моменты можно задействовать при камерной выемке малых месторождений и, в частности, при наличии пластов, выходящих на поверхность. На рис. 2 представлена камера-лава с поворотным конвейером, работающим по обычному принципу лавного, однако сопряжение лавы разгружено от приводов и их часть вынесена в безопасные условия – на штрек. В отличие от конвейеров со стабильно размещенным поворотным звеном, возможность разворачивать став в любой зоне позволяет менять и длину короткого забоя. На Adams [8, 9] спроектированы сложные конструкции, что подтвердило возможность совмещения работы исполнительных органов (ИО), установленных на секциях для увеличения вынимаемой мощности пласта с двухрядной схемой поддержания кровли. Раздвижность секций не ограничена новым узлом при уменьшении в 1,5 раза металоемкости крепи, по сравнению с крепью разработанной в КНР для пластов мощностью до 6 м. Близкие схемы таких ИО впервые реализованы в Кузбассе (агрегаты типа АЩ и др.). Далее представлена схема обратной связи, обеспечивающая работу в режиме постоянного контроля и прогнозирования состояния забоя на каждом этапе подвигания. Можно утверждать, что такая методология позволит создать эффективные условия для работы приборных комплексов в технологиях типа [10] и резко увеличить точность прогнозирования.

Заключение

Программные системы для расчета геомеханических процессов в очистном забое лавы-камеры строятся на основе САМ. Современные пакеты Ansys Adams позволяют создавать модели движущейся лавы-камеры и способны на основе МКЭ и линеаризации уравнений динамики учитывать основные процессы сдвижения и обрушения пород, работы крепи и бурового оборудования с учетом достаточно точного расчета НДС очистного забоя под влиянием оборудования, крепления и подвигания. В режиме обратной связи создается возможность работы с постоянным уточнением состояния массива и адаптации технологии и горной среды.

В работе творческое участие принимал В.А. Когай.