Методика подготовки исходных данных для решения двумерных задач численного моделирования неоднородных угольных целиков Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОТЕХНОЛОГИИ

УДК 622.278

С. В. Риб, В. В. Басов

Сибирский государственный индустриальный университет

МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ДВУМЕРНЫХ ЗАДАЧ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ УГОЛЬНЫХ

ЦЕЛИКОВ

Современные технологии подземной угледобычи характеризуются интенсификацией процессов выемки угля в длинных комплексно-механизированных забоях (КМЗ) при отработке, как правило, пологих угольных пластов средней мощности. Для обеспечения эффективной и безопасной подготовки и отработки угольных пластов применяется многоштрековая схема [1], при которой между выработками оставляются угольные целики шириной до 60 м, что приводит к нерациональному использованию недр и потерям полезного ископаемого до 40 % от балансовых запасов. При меньшей ширине целиков происходит их разрушение под влиянием горного давления, остановка очистного забоя вследствие уменьшения поперечного сечения прилегающих к целику горных выработок. По результатам анализа научно-исследовательских работ по созданию новых технологий угледобычи перспективными направлениями являются разработка и внедрение робототизированных технологий [2] с выемкой угля роботами без присутствия человека в опасных зонах. Однако при этом повышается актуальность управления породами кровли без крепления выработанного пространства. В этом случае устойчивость кровли может быть обеспечена поддержанием ее угольными целиками различных форм, в том числе ленточной, треугольной,столбчатой.

Ситуация усложняется в связи с тем, что существующие действующие нормативные документы обеспечивают прогноз устойчивости, как правило, только однородных угольных целиков. Однако при отработке пластов сложного строения, содержащих породные прослойки, твердые включения, дизъюнктивы, строение целиков неоднородное. Оценку устойчивости неоднородных угольных целиков при разработке угольных пластов длинными и короткими очистными забоями возможно провести с использованием методов математического и численного моделирования. Однако эти методы не в полной мере разработаны и адаптированы к

реальным горно-геологическим и горнотехническим условиям угольных шахт.

В этой связи научно-практическая задача, направленная на численное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) неоднородных целиков при различных горно-геологических условиях и горнотехнической обстановке, является актуальной.

В работе [3] авторами с использованием метода планирования эксперимента разработана программа исследований влияния горногеологических и горнотехнических факторов на НДС неоднородных целиков.

Эта программа выполнена на основе алгоритма и программного обеспечения, разработанных на кафедре геотехнологии и адаптированных для решения поставленных двумерных задач. Модифицированный к задачам настоящей работы комплекс программ CoalPillar предназначен для численного моделирования методом конечных элементов процессов изменения смещений, напряжений и деформаций под влиянием природных полей напряжений и горных выработок в углепородном массиве. Авторские компьютерные программы выполнены на языке Фортран 90 в среде программирования Microsoft Developer Studio. Визуализация и обработка полученных результатов проводятся с помощью программы Surfer.

Для расчета параметров НДС неоднородных целиков в зоне влияния очистного выработанного пространства необходимо создать файлы исходных данных. В этих файлах описывается геомеханическая модель, отображающая горно-геологические условия, горнотехнические факторы и геометрические данные.

Комплекс программ (CoalPillar) состоит:

- из четырех файлов исходных данных;

- четырех программ в среде Microsoft Fortran PowerStation;

- программы обработки и визуализации результатов Surfer.

- 11 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

Все программы комплекса функционируют как совокупность взаимодействующих объектов. Варианты исходных данных и результатов моделирования накапливаются в виде базы данных и используются для анализа, обоснования выводов и закономерностей. Для ввода исходных данных при выполнении вычислительного эксперимента необходимо создать 4 файла исходных данных (Massif.dat, Data.dat, Strain, Displacements) и запустить одну программу (Convert.for).

На первом этапе работы комплекса необходимо сформировать файл исходных данных Massif.dat, предназначенный для ввода по стратиграфической геологической колонке мощности и свойств пород и угольных пластов. Использование интерфейса окна Microsoft Developer Studio позволяет пользователю быстро ориентироваться при вводе исходных данных.

Файл Massif.dat формируется в диалоговом окне, приведенном на рис. 1.

Для расчета параметров напряженнодеформированного состояния используется двумерная геометрическая модель с определенными размерами по горизонтальной оси ОХ и по вертикальной оси ОУ . Модель включает угольные и породные слои различной мощности. Пользователю необходимо ввести 100 слоев, мощность которых может меняться от

0,005 до 100 м. Слои значительной мощности делятся на подслои, это необходимо для повышения точности расчетов методом конечных элементов. Структура файла включает элементы, предназначенные для ввода данных с соответствующими комментариями. Ввод слоев осуществляется сверху вниз построчно, начиная с наносов. В каждой строке указываются значения мощности слоя, коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова и коды слоев. Возможно использовать данные, приведенные в работе [4]. Для определения типов пород вводятся следующие их коды: 1999 - угольный пласт, 1001 - аргиллит, 1002 -алевролит, 1005 - песчаник, 2012 - наносы, 1010 - углистый аргиллит. Для каждой скважины можно создать новый файл данных или загрузить уже готовый файл для его изменения.

На втором этапе работы комплекса запускается программа Convert.for , которая предназначена для преобразования данных файла Massif.dat в машинный вид и первичного формирования файла исходных данных Data.dat.

На третьем этапе пользователь осуществляет корректировку файла исходных данных Data.dat (рис. 2), который предназначен для ввода совокупности различных горно-геологических и горнотехнических данных в форме матриц: значение отметок кровли породных

ш

[Ц File Edit View Insert Build Tools Window Help

Microsoft Developer Studio - [Massif.DAT *

в [Ич-

иг

f3 tflal

ф||1|Д| r

“3 В|Д|»| им]

■ ^ Fortran Power!

■ ^Getting Startr

■ Ъ MS Developer !

■ ^Programmer’s I

■ £ Reference £IMSL Librarie:

■ £ Samples

♦ Build Errors ^Fortran 90 for £ Readme £ Copyright

стратиграфическая колонка Rlardinskaia" ввод слоев сверху от земной поверхности вниз скважина №5065 11 razv.liniy

не бопее 100 породных слоев,включая пласты и наносы пласты или спои можно делить на подслои т= 0.05 и более м 12.0 угол падения слоев на разрезе,градус

1000 горизонтальная длина разреза,м 30 код рабочего пласта 3,

введите параметры слоев и пластов по скважине сверху вниз т.е. наносы -1-й спой, первый слой под наносами-2-спой и т.д. всего не более 100 слоев последняя строка должна иметь код 1-это признак конца ввода коды слоев пласт 1-999

1001 аргиллит 1010-пласт нерабочий 1101-нарушение

1002 алевролит мелкозернистый 1003- алевролит крупнозернистый песчаник 1005

наносы 2012

1

МОЩНОСТЬ КОЭФ. код слоя

споя.м крепости

комментарии

35.

10.

0.5

2.

2012

1001

f rfoV«w | lib 7 1ЙЙ5 if

J

4l Build / Debun \ Find in Files \ Profile / lii.i /

Ready Ln 1. Col 99 READ

а

Рис. 1. Структура и содержание файла исходных данных Massif.dat (вариант)

- 12 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

£8 MicrosoftDeveloperStudio-IData.dat] - -

1 File Edit View Insert Build Tools Window Help • - Г

fliluie ;-:Nel -I -,|±| |o? kN i'3

;u : 1 -1 2Ё1

Fortran PnwnrRtnt | + ф Getting Started и * ф MS Deueloper Stud ЕЬ Programmer's Guidi

- фReference

щ ф IMSL Libraries ReJ |+ ф Samples

- ф Build Errors

+ ф Fortran 90 for Sc: 7 ф Readme

- ф Gnpiirigbt

( >

стратиграфическая колонка "AlardinsRaia" ввод слоев сверху от земной поверхности вниз скважина №4598 HUIII raav.liniy не более 100 породных слоев,включая пласты и наносы 200 число вертикальных линий на разрезе 100 число породных слоев.включая пласты и прослойки 310.200000 глубина разработки от земной пов-сти 12.0 Угол падения,градус

1000.000000 горизонтальная длина разреза,м 27 число отрабатываемых пластов или слоев на разрезе условные отметки кровли породных слоев по скважине Отметка точки пер-чения оси скв с кровлей отр.пласта принимать равной нулю;Счет слоев снизу вверх (почва—>пласт—>кровля)отметка самого нижнего(1-го) 0.2*глубину(глубина-расст.от кровли пласта до земной поверхности) т.е.отметка кровли последнего(верхнего)

слоя д.б.равна глубине,отметка почва последнего cloj uctanauliuaetcj progranmno

-37.200 -36.200 -34.200 -29.200 -24.200 -21.200 -18.200 -15.200

-14.0010 -11.000 -8.000 -7.000 -6.000 -5.500 -5.200 -5.100

-5.000 -4.900 -4.800 -4.700 -4.600 -4.500 -4.400 -4.300

-4.100 -3.900 -3.700 -3.500 -3.300 -3.200 -3.100 -3.000

-2.900 -2.800 -2.700 -2.600 -2.500 -2.4Ш0 -2.150 -1.900

-1.650 -1.400 -1.150 -.900 -.650 -.400 -.200 -.100

.000 .100 .200 .300 .400 .500 .600 .800

1.000 1.200 1.700 2.200 2.700 3.200 4.200 5.200

10.200 15.200 20.200 24.200 30.200 36.200 42.200 49.200

50.600 55.700 59.700 66.900 69.700 79.000 88.300 92.300

96.300 99.500 101.500 110.100 118.700 126.300 133.900 151.900

160.900 179.200 193.400 217.400 237.400 244.400 247.200 262.200

287.200 290.200 304.200 310.200

Коды пород в слоях

1003. 1003. 1003. 1005. 1005. 1003. 1003. 1003.

30. 1005. 1005. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003.

1003. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.

30. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.

30. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.

30. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30.

30. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003. 10ШЭ.

1003. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003. 1003.

1005. 1005. 1005. 1005. 1003. 1003. 1003. 1003.

31. 1003. 1005. 1003. 1005. 1003. 1003. 1005.

1005 . 1003. 1005. 1003. 1003. 1005. 1005. 1003.

1005. 1003. 1003. 1005. 1003. 1005. 1003. 1005 .

1005. 1003. 1005. 2012.

□Ж Build /"Debug \ Find in Files \ Prnfle /

<1 I

Ready

Рис. 2. Структура и содержание файла исходных данных Data.dat (вариант)

слоев (за отметку «0» принимается кровля разрабатываемого пласта); коды пород в слоях; коэффициенты крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова; координаты контуров горных выработок, различного рода неоднородностей, выработанного пространства, скважин, горной крепи (например, пользователь вводит по интересующим слоям координаты по оси X контуров горных выработок и указывает модуль упругости материала внутри контура); ввод координат вертикальных линий на модели с учетом размеров исследуемых зон. Количество вертикальных линий на геометрической модели принимается равным 200 с расстоянием между ними от 0,01 до 100 м.

Для удобства работы все элементы сгруппированы по категориям. Следует отметить, что в строке «число отрабатываемых пластов или слоев на разрезе» необходимо указывать значение, полученное суммированием слоев, использованных при формировании контуров горных выработок, неоднородностей и т.д.

На четвертом этапе формируется файл исходных данных Strain, предназначенный для приложения нагрузки (в кН) к заданным в соответствии с решаемой задачей вершинам конечных элементов. Это необходимо при учете работы анкеров, секций механизированной крепи и др.

Для повышения адекватности расчетной модели реальному углепородному массиву в

комплексе предусматривается настройка входных параметров модели. Для этого пользователю необходимо на пятом этапе работы комплекса сформировать файл исходных данных Displacements, в который вводятся экспериментальные смещения пород и элементов крепи, полученные по результатам шахтных измерений в аналогичных горно-геологических условиях и горнотехнической обстановке. Шахтные измерения возможно произвести по данным работы [5].

На следующих этапах работы комплекса программ после ввода исходных данных осуществляется расчет смещений, напряжений и деформаций и визуализация результатов.

Выводы. Планомерный и корректный ввод исходных данных позволит провести вычислительный эксперимент согласно программе исследований для решения поставленных двумерных задач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Казанин О.И., Козулин В В., Бара б а ш М.В., Ю т я е в Е.П. О проектировании технологических схем подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов // Уголь. 2010. № 6. С. 24 - 28.

2. Ф р я н о в В.Н., Павлова Л.Д. Научные основы подземной технологии роботизированной выемки угля // Наукоемкие

13 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сборник научных статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2011. С. 39-49.

3. Р и б С.В., Басов В.В., Никитина А.М., Борзых Д.М. Численное моделирование геомеханического состояния неоднородных угольных целиков методом конечных элементов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сборник научных статей. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2014. С. 123 - 128.

4. Ш т у м п ф Г.Г., Рыжков Ю.А., Шала м а н о в В.А. Физико-технические

свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. - М.: Недра, 1994. -447 с.

5. Ремезов А.В., Харитонов В.Г., Ануфриев В.М., Ш и м о т ю к в.д., Филимонов К.А., Кадошников А.В. Развитие и совершенствование анкерного крепления горных выработок, методик расчета и средств его контроля // Уголь. 2006. № 11. С. 3-5.

© 2014 г. С. В. Риб, В. В. Басов Поступила 8 декабря 2014 г.

- 14 -