Спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням при її проведенні буропідривним способом

Реферат: Спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням при її проведенні буропідривним способом включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою повздовжнього перерізу, анкерними штангами і полімерним закріплювачем, жорстке закріплення моделі на контурі. У кожному вузлі моделі задають початкові напруження і початковий тиск газу, відповідні глибині проведення виробки, граничний тиск газу на контурі виробки. Проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів зміни НДС та фільтрації газу у нестаціонарній постановці, на кожній часовій ітерації визначають величину напружень і деформацій у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву і анкерних штанг, на часовій ітерації, відповідній моменту підривання зарядів. Визначають значення проникності гірського масиву навколо виробки в залежності від його напруженого стану. Визначають величину тиску газоподібних продуктів детонації ВР у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву в залежності від проникності та на наступній часовій ітерації ураховують її як складову частину сумарної сили, що діє у вузлах скінченно-елементної моделі. UA 107070 U (54) СПОСІБ ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ГІРСЬКОГО МАСИВУ НАВКОЛО ГІРНИЧОЇ ВИРОБКИ З АНКЕРНИМ КРІПЛЕННЯМ ПРИ ЇЇ ПРОВЕДЕННІ БУРОПІДРИВНИМ СПОСОБОМ UA 107070 U UA 107070 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до механіки гірських порід, а саме моделювання напруженодеформованого стану шаруватого масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням (АК), який формується під дією ваги розташованих вище гірських порід та вибуху шпурових зарядів вибухової речовини (ВР) під час проведення буровибухових робіт (БВР). Відомий спосіб геомеханічного аналізу масиву гірських порід методом скінченних елементів. Він дозволяє з високою точністю визначати розподіл напружень, напрямок і величину деформацій в окремих точках (вузлах) моделі та особливості руйнування при дії граничних навантажень [1]. Але для вивчення впливу вибуху на стійкість анкерного кріплення, а також обґрунтування таких параметрів БВР, як довжина шпурів, схема їх розташування у вибої виробки, доцільність застосування компенсаційної свердловини та ін., що забезпечують ефективність дії вибуху при просуванні вибою на задану відстань, необхідно дослідження напружено-деформованого стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням під час підривання шпурових зарядів. Дослідження впливу вибуху на формування зони зруйнованих порід у вибої виробки в залежності від багатьох гірничо-геологічних та технологічних факторів із застосуванням методів геомеханіки дозволяє обґрунтувати раціональні параметри БВР та АК у конкретних умовах проведення гірничої виробки. Найбільш близьким по суті (прототип) до способу, що заявляється, є спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням [2], що включає створення комп'ютерної моделі шаруватого породного масиву з виробкою необхідної форми перерізу за допомогою скінченних елементів з відповідними фізико-механічними властивостями, моделей анкерних штанг за допомогою стрижневих скінченних елементів, полімерного закріплювача - контактних скінченних елементів, які жорстко з'єднані з одного боку із скінченними елементами породного масиву, з другого - із стрижневими скінченними елементами анкерів, проведення чисельного розрахунку моделі, що дозволяє визначити величину напружень і деформацій у кожній точці (вузлі) моделі гірського масиву та анкерних штанг. Але необхідно відзначити, що зазначеним прототипом не враховується вплив додаткових напружень від дії вибуху шпурових зарядів на зміну полів напружень навколо виробки у разі її проведення буропідривним способом. Напруження стиску при вибуху приймають дуже великі значення, що сумірні, або перевищують значення гірського тиску на великій глибині. Напруження розтягу від хвилі, відбитої від вільної поверхні вибою, перевищують межу міцності порід на розтяг. Крім цього, в результаті практичних та експериментальних досліджень [3] встановлено, що "енергія вибухового перетворення ВР … складається з енергії хвиль напруження і тиску газоподібних продуктів детонації. Роль енергії хвилі напруження полягає в тому, що при розповсюдженні вона частково порушує масив за системою природних мікротріщин в обсязі до 75 % загального об'єму руйнування, а при подальшому розширенні продуктів детонації вони своїм тиском розширюють утворені тріщини до повного руйнування породи". Нехтування впливом напружень стиску та розтягу від дії вибуху та участю газоподібних продуктів детонації в процесі руйнування призводить до великих похибок при оцінці напруженодеформованого стану порід навколо виробки при БВР [4]. Тому даний спосіб не дієвий для дослідження стану гірського масиву у вибої гірничої виробки з анкерним кріпленням при її проведенні буропідривним способом. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням при її проведенні буропідривним способом за рахунок: - урахування дії напружень стиску від вибуху кожного із шпурових зарядів ВВ шляхом завдання параметрів радіальної σr(r, t) і тангенціальної σφ(r, t) складових хвилі напружень за емпіричними залежностями, отриманими для міцних порід на основі лабораторних та натурних експериментальних даних; - урахування напружень розтягу від дії відбитої від поверхні вибою хвилі розтягу, центром якої є точка, симетрична центру вибуху відносно поверхні вибою; - урахування дії газоподібних продуктів детонації шляхом розв'язання задачі фільтрації газоподібних продуктів детонації у тріщинувато-пористому середовищі, проникність якого змінюється у часі в залежності від зміни напружено-деформованого стану [5] у досліджуваній області, внаслідок чого розраховується розподіл значень полів напружень та деформацій у масиві та анкерних штангах при вибуху шпурових зарядів, що надає можливість скорегувати параметри БВР та АК і підвищити стійкість виробки та кріплення. 1 UA 107070 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням при її проведенні буропідривним способом включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою повздовжнього перерізу, анкерними штангами і полімерним закріплювачем, жорстке закріплення моделі на контурі, згідно з корисною моделлю, у кожному вузлі моделі задають початкові напруження і початковий тиск газу, відповідні глибині проведення виробки, граничний тиск газу на контурі виробки, що дорівнює атмосферному тиску, проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів зміни НДС та фільтрації газу у нестаціонарній постановці, на кожній часовій ітерації визначають величину напружень і деформацій у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву і анкерних штанг, на часовій ітерації, відповідній моменту підривання зарядів, до розрахункових значень компонент тензору напружень додають напруження стиску, отримані за емпіричними залежностями, і напруження розтягу від дії відбитої від поверхні вибою хвилі розтягу, у місцях закладання шпурових зарядів у момент підривання задають детонаційний тиск газоподібних продуктів детонації, який визначають експериментально для певного типу ВР і його маси, визначають значення проникності гірського масиву навколо виробки в залежності від його напруженого стану, визначають величину тиску газоподібних продуктів детонації ВР у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву в залежності від проникності та на наступній часовій ітерації ураховують її як складову частину сумарної сили, що діє у вузлах скінченно-елементної моделі. Урахування дії вибухової хвилі, відбитої від вільної поверхні вибою хвилі розтягу, тиску газоподібних продуктів детонації, що багатократно розширюються при вибуху, дозволяє моделювати вибух шпурових зарядів ВР при буро-підривному способі проходки виробки, адекватно відтворювати напружений стан гірських порід та анкерних штанг до, під час та у різні моменти після підривання зарядів, а також геометричні параметри зон непружних деформацій, що характеризують зруйновану вибухом область гірських порід. Аналіз розподілу напружень, отриманого в результаті чисельного розрахунку запропонованої моделі, надає можливість визначити або скорегувати наступні параметри технології БВР: довжина шпурів, щільність їх розташування у вибої виробки, доцільність застосування компенсаційної свердловини та ін.; параметри АК при проведенні БВР: довжина анкерів, щільність їх розташування, кути нахилу, оптимальна відстань між вибоєм виробки та першим рядом анкерів. Усе це в цілому дозволяє підвищити стійкість виробки та кріплення та ефективність схем розташування шпурових зарядів ВР та АК. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено приклад скінченноелементної моделі 1 повздовжнього перерізу гірничої виробки 2, яку проводять по вугільному пласту 3 складної двопачкової будови, закріплену за допомогою АК 4, з параметрами анкерного кріплення: відстань між вибоєм виробки та першим рядом анкерів а, відстань між рядами анкерів b, кут нахилу анкерів , довжина анкерів lа, у вибої якої розташовано шпури 5 довжиною lш із шпуровими зарядами ВР 6; на фіг. 2 - результат розрахунку напружень (а саме - параметра Q=(σ1-σ3)/γН, де σ1 - максимальна компонента тензору головних напружень, σ3 - мінімальна компонента тензору головних напружень, γ - усереднена вага гірських порід, які розташовані вище, H - глибина розташування виробки) для скінченно-елементної схеми фіг. 1, перед підриванням зарядів; на фіг. 3 - результат розрахунку параметру Q в момент вибуху; на фіг. 4 результат розрахунку параметра Q на наступній ітерації після підривання зарядів; на фіг. 5 результат розрахунку зони непружних деформацій, що визначає ймовірну область руйнування гірського масиву, для скінченно-елементної схеми фіг. 1, перед підриванням зарядів; на фіг. 6 результат розрахунку зони непружних деформацій в момент вибуху; на фіг. 7 - результат розрахунку полів тиску газу перед підриванням зарядів, на фіг. 8 - результат розрахунку полів тиску газоподібних продуктів детонації та порожнини у вибої виробки, яку утворено вибухом, в момент вибуху, на фіг. 9 - результат розрахунку полів тиску газоподібних продуктів детонації та порожнини у вибої виробки, яку утворено вибухом, на наступній ітерації після підривання. На кресленні наведено наступні позначення: зони, позначені червоним кольором - зони непружних деформацій; значення параметру Q: 55 - 1,6