CC BY
15
© Ю.А. Цыплухина, 2012
УЛК 622.831.3 Ю.А. Цыплухина
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ КОНТУРА ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ НА ХАРАКТЕР НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ В СНИМАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
Рассмотрено влияние геометрической формы контура горной выработки на характер неупругого деформирования и разрушения вмещающего породного массива с использованием расчетной схемы в снимаемых напряжениях и с помощью метода конечных элементов, реализованного программным комплексом АБАОиБ. Ключевые слова: горная порода, горная выработка, напряжённое состояние, расчётная схема.
Л ля оценки влияния геометрической формы контура выработки на характер неупругого деформирования и разрушения породных массивов при использовании расчетной схемы в снимаемых напряжениях рассмотрим гипотетическую протяженную горную выработку прямоугольного поперечного сечения, рассмотренную в [1], для которой решена упругая задача. Предположим, что выработка пройдена в массиве, имеющим равнокомпонентное начальное напряженное состояние с вертикальным напряжением аг = —д и горизонтальными напряжениями °х =°2 = -д (ось 2 ориентирована по оси выработки). Примем для определенности прочностные параметры горных пород в массиве равными в = 55° и tgв = 1.43, ё = 1.63 • д , что
V = 5 ,
соответствует соотношению
где с - сцепление горных пород в образце в пространстве трех главных напряжений.
Для решения соответствующей упруго-пластической задачи воспользуемся методом конечных элементов, реализованного программным комплексом ABAQUS, в связи с невозможностью аналитического решения.
Ниже на рис. 1 приведены прогнозные распределения интенсивности неупругих деформаций (е1) в приконтурном массиве вокруг рассматриваемой выработки, полученные с использованием расчетных схем в снимаемых (а) и полных (б) напряжениях. На первый взгляд, эти картины идентичны. Однако, в том и другом случаях неупругие деформации качественно различны, о чем свидетельствуют приведенные на рис. 2 соответствующие прогнозные распределения средних напряжений аср, которые
как было отмечено в [1],
характеризуют степень дополнительного обжатия вмещающих пород относительно их начального состояния до сооружения выработки. При использовании расчетной схемы в
Рис. 1. Прогнозные распределения неупругих деформаций в приконтурном массиве, вмещающем протяженную выработку прямоугольного поперечного сечения, при использовании расчетных схем в снимаемых (а) и полных (б) напряжениях
Рис. 2. Прогнозные распределения средних напряжений в приконтурном массиве, вмещающем протяженную выработку прямоугольного поперечного сечения, при использовании расчетных схем в снимаемых (а) и полных (б) напряжениях
снимаемых напряжениях средние напряжения положительны практически во всем приконтурном массиве, за исключением угловых точек. Т.е. весь приконтурный массив находится в состоянии объемного растяжения, при котором неупругие деформации реализуются в форме сдвига, переходящего в отрыв. В угловых точках вмещающие породы находятся в состоянии дополнительного объемного сжатия, уровень которого достаточно высок, что препятствует развитию пластических деформаций.
Кроме того, как видно из рис. 1, максимум неупругих деформаций в
том и другом случаях находится на некотором удалении от контура выработки, что, в случае использования расчетной схемы в снимаемых напряжениях, позволяет объяснить так называемый эффект зональной дезинтеграции, т.е. формирование зон нарушения сплошности вмещающих пород на удалении от контура, отмеченный по результатам некоторых натурных наблюдений за проявлениями горного давления в горных выработках [2].
Рассмотрим гипотетическую протяженную горную выработку кругового поперечного сечения, пройденную в массиве с неравнокомпонентным
Рис. 3. Прогнозная картина неупругого деформирования породного массива, вмещающего выработку кругового поперечного сечения: а - область неупругих деформаций, б - распределение средних напряжений
Рис. 4. Прогнозная картина неупругого деформирования породного массива, вмещающего выработку с эллиптической формой контура: а - область неупругих деформаций, б - распределение средних напряжений
начальным напряженным состоянием с большим вертикальным напряжением аг = - д и меньшими горизонтальными напряжениями ох =о2 = -Л ■ д , где Л < 1. В кровле такой выработки формируется область неупругих деформаций сводчатой формы. Изменим форму поперечного сечения выработки с круговой на эллиптическую с большей осью, ориентированной по направлению действия вертикального напряжения, и оценим происходящее при этом изменение характера неупругого деформирования вмещающих горных пород. В расчетах примем
в = 55° и с = 0.2 ■ д , Л = 0.54 , при которых ё = 1.65 ■ д .
На рис. 3 приведена прогнозная картина неупругого деформирования породного массива, вмещающего выработку с круговым поперечным сечением, а на рисунке 3.4 - выработку с эллиптической формой контура с большей полуосью Ь = 1 и меньшей а = 0.5 . В кровле выработки с круговым контуром формируется область предельного состояния, аналогичная представленной в [1], в которой неупругие деформации реализуются в форме сдвига, переходящего в отрыв.
еда ода
ил«
а
у/Ь
/Л б
\ . А//К
08
Рис. 5. Распределения в кровле выработки с эллиптической формой контура интенсивности неупругих деформаций (а) и средних напряжений (б)
I Н I ^
я = 1
-Яд
\ \ I
-Яд
-Яд -Яд
\-д I ^
Я< 1
II |-д \ I
- Яд
1 1 \~я I I
-Яд
\-д \ \
Область предельного состояния, но с меньшими размерами, формируется и в кровле выработки с эллиптическим контуром, однако в пределах этой области реализуются различные формы неупругих де-формапий, о которых можно судить по распределениям в кровле выработки интенсивности неупругих деформапий (£) и сред-
них напряжений
Рис. 6. Устойчивые формы поперечного сечения привеЫенным на рис- 5, из выработок при различном начальном напряженном которых видно, неупругие состоянии вмещающего породного массива
д
Я>1
деформации в кровле выработки реализуются преимущественно в форме сдвига, т.е. пластического течения, а представляющие наибольшую опасность с точки зрения устойчивости выработки неупругие деформации сдвига, переходящего в отрыв, реализуются лишь в достаточно узкой приконтурной зоне. Та-
1. Хлопцов В.Г., Цыплухина Ю.А., Ко-шелев А.Е. Экспериментальное обоснование применения расчетной схемы в снимаемых напряжениях для решения геомеханических задач. ГИАБ, №4, 2010.
ким образом, в условиях неравно-компонентного начального напряженного состояния массива эллиптическая форма поперечного сечения выработки с большей осью, ориентированной по направлению действия большего по величине начального напряжения, является более устойчивой (рис. 6).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Шемякин Е.И., Фисенко Г.Л., Курле-ня М.В. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок // ДАН СССР. - 1986. - Т.289. -№5,- С. 1088-1094.1Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Цыплухина Ю.А. - аспирант, [email protected] Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
ГОРНЯЦКОЕ АРГО
• КИЛЬДЫМ — мехцех.
• КЛЕВАК — молот с деревянной ручкой, заостренный с одного конца.
• КЛЮШКА — ножка арочной крепи.
• КОБЫЛА — нарушение у кровли пласта, при отработке которого лавой или другой выработкой, имеет тенденцию к обрушению, длина «кобыл» как по простиранию, так и по падению достигает нескольких метров, толщина не более 1 м.
• КОЗА — площадка с четырьмя откидными рогами для перевозки крупногабаритных грузов. Реже — людская вагонетка.
• КОЗЁЛ — популярная среди шахтеров карточная игра. Самая интеллектуальная игра после перетягивания каната.
• КОЛОВАЯ — табель учета рабочего времени.
• КОНВЕЙЕРА — может показаться, что это просто ошибочное образование множественного числа от «конвейер», тем не менее это жаргонизм — вспомним: «...мы говорим не штормы, а шторма!» Такое произношение «конвейера», но не «конвейеры» характерно для шахтеров.
• КОНЕЦ ПРОХОДКИ ДОНБАССА — расшифровка маркировки проходческого комбайна КПД.
• КОНЬ — выемка отбойным молотком в лаве 2 метра на метр.
