CC BY
16
УДК 622.272 Е.П. Брагин
К ВОПРОСУ О КОНЕЧНОСТИ НАГРУЗКИ НА КРЕПЬ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ
Семинар № 15
Одной из основных особенностей подземных горных работ, как известно, является постоянное воздействие горного давления, напряжений в массиве под влиянием гравитации, тектонических процессов, изменений температуры. При отсутствии горных работ и выработок напряжения в массиве увеличиваются пропорционально глубине, достигая значительных величин. Так при глубине 400 м напряжения могут достигнуть 10000-12500 кН/м2. Естественно, что таких нагрузок крепь выдержать не может.
Однако, при ожидаемом увеличении с глубиной нагрузки на крепь, вблизи выработок происходит перераспределение напряжений и в действующих очистных забоях успешно работают современные механизированные крепи.
Несмотря на успехи в области комплексной механизации задача о взаимодействии крепи с массивом и определения необходимой несущей способности крепи продолжает оставаться одной из наиболее важных задач в механике горных пород.
Практика подземных работ свидетельствует о конечности нагружения крепи очистного забоя при увеличении глубины работ. Академик Е.И. Шемякин, обращает внимание на установленные М. М. Протодьяконовым свойства сопротивления горного массива сдвигу (упругому, вязкому или с трением), препятствующие росту нагрузки на крепь с увеличением глубины работ [1].
Обоснованность конечности нагрузки на крепь при увеличении глубины работ, решающей роли сопротивления среды сдвигу в формировании основных нагрузок на крепь обеспечивает предпосылки к определению необходимого рабочего сопротивления механизированных крепей очистных забоев в конкретных условиях.
Анализ создания и применения механизированных крепей показывает, что принимаемое их удельное сопротивление для сходных условий отличается в широких пределах. С увеличением вынимаемой мощности прослеживается тенденция увеличения удельного сопротивления крепей.
Широкие возможности компьютерного моделирования и имеющиеся программы позволяют анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) геомеханической системы «крепь-массив» в конкретных условиях, формирование и обрушение консоли пород за крепью, обосновывать нагружение крепи очистного забоя деформирующимися породами кровли. С этой целью в Караганде в течение ряда лет проводились специальные исследования по инициативе и при непосредственном участии профессора Ю. А. Векслера.
Для расчетов использовался численный метод конечных элементов (МКЭ) и вязкоупругая модель среды. Рассматривалась плоская задача для массива горных пород с очистным за-
боем, механизированной крепью и зоной обрушения (рис. 1) с разной величиной консоли за крепью. Глубина работ - 400 м.
Мощность пласта 3,2 м. Для крепления забоя принята механизированная крепь М130. В кровле пласта - песчаник мощностью 15 м, выше - алевролит различной крепости. В почве пласта -алевролит. Г раничные условия приняты в виде сжимающих напряжений на бесконечности, нижняя граница исследуемой области закреплена.
Проанализировано свыше 90 вариантов расчетов при различных параметрах забоя - расположении, составе и характеристике пород, глубине работ, величине консоли. Получены данные о конвергенции пород,
-1.0
0
Рис. 1. Расчетная схема задачи: Р - нагрузка на секцию крепи от веса деформирующихся пород, кН/м2; Штах - максимальная мощность пласта, м; I - длина блока пород, нагружающего крепь, м; 13 - длина зависающей консоли пород за крепью, м; 1п - длина поддерживающей части секции крепи, м; Г - расстояние от козырька крепи до забоя, м; Г -глубина захвата комбайна, м
деформации кровли и забоя, нагружении крепи, влиянии консоли, предельных состояниях.
Анализ результатов расчетов показывает, что работа очистного забоя оказывает существенное влияние на НДС пласта и породного массива.
На рис. 2 приводится изменение во времени вертикальных напряжений в кровле над крепью.
Результаты расчетов показывают, что напряжения в кровле на контакте с крепью в пределах рабочего пространства лавы распределяются неравномерно, максимальные сжимающие напряжения сосредотачиваются над гидростойками. Над бесстоечным пространством сжимающие напряжения уменьшаются и перерастают в растягивающие. С течением времени напряжения сжатия над крепью увеличиваются и к концу производственного цикла становятся максимальными.
В кровле над пластом возникает обширная зона горизонтальных деформаций растяжения, создающих условия для образования вертикальных трещин в массиве. С увеличением зависающей за крепью консоли пород величина деформаций и высота зоны деформаций возрастают (рис. 3). По мере увеличения высоты
Рис. 2. Вертикальные напряжения в кровле над очистным забоем
£%К
ом
из
002
ом
-М
/ / ! ^— 1 /
1' /м / / . * / / /
! 1 Г > *Л /\А
/ 1 1 1 / У У? и
/ / г
го
30
ад
Рис. 3. Высота зоны деформаций (1) и величина деформаций в кровле за крепью на расстоянии 2 м (2) и 4 м (3)
Рис. 4. Влияние величины консоли пород за крепью на высоту зоны разрушения (1) и на отношение этой высоты к вынимаемой мощности пласта (2)
зоны деформации ее рост замедляется.
Высота зоны разрушения (предельных состояний) и отношение высоты зоны разрушения к вынимаемой мощности пласта также зависит от величины консоли пород за крепью. Характерно, что предельная высота зоны разрушения во всех случаях находится в пределах четырехкратной вынимаемой мощности пласта (рис. 4).
Расчеты показывают, что на высоту зоны возможного разрушения пород определенное влияние также оказывают физико-механические свойства пород кровли. Ослабление пород кровли (уменьшение модуля упругости в 2,1 раза) приводит к увеличению деформаций в породах кровли в 2-3 раза. Увеличение консоли пород за крепью приводит к росту в забое конвергенции кровли и почвы, а также горизонтальных деформаций (отжима) пласта (рис. 5).
Результаты выполненных исследований позволяют обосновать удель-252
ное сопротивление механизированных крепей, необходимое и достаточное для поддержания блока пород кровли высотой, равной максимальной высоте зоны возможного разрушения. Как было установлено, эта высота во всех случаях находится в пределах четырехкратной вынимаемой мощности пласта. Предельная величина консоли пород за крепью является функцией прочности пород кровли на изгиб. Блок пород над очистным забоем представлен как балка, защемленная одним концом [2]. Каждая секция крепи несет нагрузку от блока пород шириной захвата равной шагу установки секций и высотой, равной четырехкратной вынимаемой мощности пласта. При этом удельная нагрузка на крепь может быть определена из выражения [3]:
4ду т
0.7 ср тах
^ = I
,, 4000ст т
X (1п + Г + Г + -----------и--—
(п 1 V 3ду
(1)
)кН/м2,
X
О*
Ми
20
!6
12
В5
Р
0,5 о* * **•
ал > Ж—
м
вд
£В
Ж
«
ь
Рис. 5. Конвергенция пород в забое (1) и отжим пласта (2)
где д - ускорение свободного падения; уср - средняя плотность пород
кровли, т/м3 ; ои - прочность пород
кровли на изгиб, МПа .
Анализ полученного выражения показывает, что основными факторами, оказывающими влияние на нагружение механизированной крепи являются вынимаемая мощность пласта, прочность пород кровли на изгиб и длина перекрытия механизированной крепи (рис. 6).
В области реальных крепей при увеличении вынимаемой мощности с 2,2 до 3,5 м (в 1,6 раза) удельное сопротивление должно быть увеличено в 1,77 раза. Увеличение прочности пород кровли на изгиб с 3 до 11 МПа (в 3,66 раза) требует увеличения удельного сопротивления крепи в 1,23 раза. При увеличении длины перекрытия крепи в 2,3 раза удельное сопротивление крепи может быть снижено в 1,8 раза.
В меньшей степени на удельное сопротивление крепи влияют расстояние от забоя до перекрытия и ве-
Рис. 6. Основные факторы, определяющие нагружение механизированной крепи
личина захвата комбайна. Плотность пород кровли, как правило, в пределах угольного региона изменяется незначительно и его влияние на удельное сопротивление близко к постоянному.
Полученное выражение для определения удельного сопротивления механизированной крепи учитывает работу крепи в режиме заданной нагрузки от блока пород кровли в зоне деформирования. В практике реальная крепь работает в комбинированном режиме, включающем помимо заданной нагрузки также заданную деформацию под действием непреодолимой при-грузки прогибающимися вышележащими породами кровли. Влияние этой пригрузки обеспечивается запасом податливости крепи. При этом минимальный и максимальный конструктивные размеры крепи (в м) могут быть определены по известной методике [4] с учетом опускания кровли в очистном забое за рабочий цикл и запаса хода крепи на разгрузку (распор).
Ит,„ = тт,„ - из - а,„ =
кр
= ттт(1 - 1за) - ак
Итах = ттах - ип + акр =
= ттах(1 - 1па) + акр,
где из - опускание кровли на максимальном расстоянии от забоя, м; ип-
опускание кровли над стойкой на минимальном расстоянии от забоя, м; акр - запас хода крепи на разгрузку
(распор), м; а - коэффициент прогиба вышележащих пород, может быть принят равным коэффициенту опускания кровли на контакте с крепью (0,03-0,05); 1з - расстояние от
забоя до задней стойки крепи, м.; 1п - расстояние от забоя до передней стойки, м.
В качестве примера использования полученных результатов может быть приведен расчет удельного сопротивления крепи М130 для конкретных условий.
Исходные данные
1. Пласт к10 шахты «Кировская» б. объединения Карагандауголь;
2. Вынимаемая мощность пласта
ттах = 3,2 м;
3. Средняя плотность пород кров-
ли ус
, = 2,5 т/м~
,3
4. Прочность пород кровли на изгиб аи =10,0 МПа;
5. Длина перекрытия крепи 1п = 4,20 м;
6. Расстояние от забоя до козырька Г = 0,1 м;
7. Глубина захвата комбайна Г2 = 0,63 м.
Необходимое удельное сопротивление механизированной крепи М130 для условий пласта к10 шахты «Кировская» из выражения (1) О = 689
кН/м2 .
По технической характеристике удельное сопротивление крепи М130
составляет 700 кН/м2 .
Таким образом по нагрузке принятая крепь М130 соответствует условиям.
Проведенные контрольные расчеты по механизированным крепям, работающим в различных горно-геоло-гических условиях, показывают возможность использования полученной методики при планировании и проектировании горных работ, оценке нагружения крепей, выборе типов и типоразмеров
механизированных крепей для конкретных условий.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шемякин Е.И. Механика горного массива. ГИАБ. - 2006. - №3. - С. 5-17.
2. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. Физматгиз, М. 1960.
3. Брагин Е.П., Вечера В.Н., Мельникова Н.М. Разработка программы автоматизированного выбора и обоснования рациональных механизированных крепей для кон-
кретных горно-геологических условий. Горное дело. Труды Карагандинского политехнического института, В. 1., 1993, с.20-26.
4. Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Черняк И.Л.. Процессы подземных горных работ. -М.: Недра, 1982.
— Коротко об авторах
Брагин Е.П. - чл.-корр. РАЕН, профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
