Спосіб імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху

Реферат: Спосіб імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху включає формування моделі гірського масиву з виробкою, прикладання до неї рівномірно розподіленого навантаження. Модель шаруватого газонасиченого масиву виконують у вигляді блока прямокутної форми із еквівалентних матеріалів і зразка вугілля, розміщеного у формі з піщано-цементним тістом, потім в торці моделі масиву, що має пласт вугілля, формують дві порожнини, одна, що імітує гірничу виробку, інша для розміщення вибухової речовини, причому в порожнину для розміщення вибухової речовини встановлюють патрон ВР з ініціатором, а гирло герметизують набійкою, підготовлену модель розміщують у вибухову камеру, торцева поверхня якої має трубки для подачі газу в модель гірського масиву, а параметри руйнування фіксують тензодатчиками, розташованими по внутрішньому периметру футерованої поверхні камери, крім того навантаження моделі здійснюється через плунжер, з'єднаний з притискною плитою преса, далі, після навантаження моделі з фіксованим кроком і насичення її газом, проводять підривання заряду ВР, а по граничних показниках, знятих з приладів реєстрації, визначають зміну в часі параметрів НДС масиву і фільтрації газу в зруйнованому масиві за системою рівнянь:   ij , j  X i ( t )  Yi ( t )  P( t )  cg t u i ;    p    k p     k p   q ( t )  0.      t x  x  y  y     UA 86212 U (54) СПОСІБ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ГІРСЬКОГО МАСИВУ ПРИ ВИБУХУ UA 86212 U UA 86212 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гірничої геомеханіки і використовується для вивчення процесів, які протікають у газонасиченому породному масиві під впливом ваги вище розміщених гірських порід та технологічних процесів проведення гірничих виробок буровибуховим способом. Відомі способи моделювання дії вибуху з використанням емпіричних і аналітичних залежностей зміни параметрів вибухової хвилі, встановлених для різних гірських порід і ґрунтів, які можна використовувати при моделюванні вибуху шпурових зарядів у вибої виробки [1-3], а також з використанням методів математичного моделювання напружено-деформованого стану (НДС) гірського масиву від вибуху зосередженого заряду ВР, отриманих за результатами лабораторних та експериментальних даних [4]. Найбільш близьким за своєю суттю і досягуваному результату в порівнянні із запропонованим технічним рішенням, вибраним за прототип, є спосіб імітації напруженодеформованого стану гірського масиву на моделях з еквівалентних матеріалів згідно з [5]. Спосіб містить в собі формування моделі гірського масиву з виробкою з еквівалентних матеріалів, прикладанням до неї компенсуючого навантаження через проміжний гнучкий елемент, який спочатку розтягують, а величину його навантаження регулюють по мірі відроблення моделі гірського масиву, як в зоні впливу гірничої виробки, так і поза нею при її проведенні, наприклад буровибуховим способом. Однак приведений спосіб має суттєві недоліки. При моделюванні напруженодеформованого стану масиву не забезпечується висока достовірність, обґрунтованість і наглядність формування напруженого стану гірського масиву навколо контуру гірничої виробки, що проводиться, в процесі навантаження моделі, яка імітує гірський масив, тому що не враховуються початковий НДС масиву, обумовлений впливом ваги вище розміщених гірських порід, енергія хвиль напружень і тиск газоподібних продуктів детонації від вибухового перетворення ВР, що беруть участь в руйнуванні більш ніж 75 % об'єму руйнуючого масиву гірських порід з подальшим проникненням продуктів детонації в тріщини, що утворилися, до повного руйнування породи. Як наслідок, це призводить до підвищення хибності і зниження достовірності отриманих чисельних значень реального напруженого стану гірського масиву з виробкою в залежності від глибини і місця її формування. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху в виробці, що проводиться буровибуховим способом в шаруватому газонасиченому породному масиві, в якому за рахунок формування в моделі газонасиченого породного масиву з пластом вугілля порожнини, що імітує гірничу виробку, та порожнини, де розміщують вибухову речовину, герметизації гирла набійкою, ініціювання заряду ВР після навантаження та насичення газом моделі, стає можливим оцінити розміри зон руйнування, утворених підвпливом початкового НДС породного масиву і газоподібних продуктів детонації від вибуху заряду ВР у вибої виробки, до вибуху, під час вибуху і після вибуху шпурових зарядів ВР і, як наслідок, отримати числові значення напружень в характерних точках вибою виробки, навкруги виробки і в масиві, а також відтворенню реального поля напружень в моделі, підвищенню точності, обґрунтованості і достовірності отриманих даних при виконанні експериментальних досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі імітаційного моделювання напруженодеформованого стану гірського масиву при вибуху, який включає формування моделі гірського масиву з виробкою, прикладання до неї рівномірно розподіленого навантаження, згідно з корисною моделлю, модель шаруватого газонасиченого масиву виконують у вигляді блока прямокутної форми із еквівалентних матеріалів і зразка вугілля, розміщеного у формі з піщаноцементним тістом, потім в торці моделі масиву, що має пласт вугілля, формують дві порожнини, одна, що імітує гірничу виробку, інша для розміщення вибухової речовини, причому в порожнину для розміщення вибухової речовини встановлюють патрон ВР з ініціатором, а гирло герметизують набійкою, підготовлену модель розміщують у вибухову камеру, торцева поверхня якої має трубки для подачі газу в модель гірського масиву, а параметри руйнування фіксують тензодатчиками, розташованими по внутрішньому периметру футерованої поверхні камери, крім того навантаження моделі здійснюється через плунжер, з'єднаний з притискною плитою преса, далі, після навантаження моделі з фіксованим кроком і насичення її газом, проводять підривання заряду ВР, а по граничних показниках, знятих з приладів реєстрації, визначають зміну в часі параметрів НДС масиву і фільтрації газу в зруйнованому масиві за системою рівнянь: 1 UA 86212 U   ij, j  Xi ( t )  Yi ( t )  P( t )  c g t ui ;    p    k p     k p   q( t )  0;      t x  x  y  y       де ij, j - похідні від компонент тензора напруги по х, у; Xi ( t ) - зовнішні сили; 5 Yi ( t ) - сили впливу вибухових хвиль; P(t) - сила тиску газу; c g - коефіцієнт демпфування; t - час; ui - переміщення твердого середовища;  - в'язкість газу; 10 15 p - тиск газу; k - коефіцієнт проникності, залежний від співвідношення компонент тензора напружень, який визначається по формулах k  f (t, ij ) ; q - інтенсивність джерел газовиділення, а початкові і граничні умови визначають із даних, знятих з показників тензодатчиків, манометра тиску та осцилографа, а також співвідношень: p 1  0,1 0 ux 2 uy 3  0 МПа; ; ; p t  t вибух , x  x вибух , y  y вибух  20 pd 2 ; де 1( t ) - внутрішній контур (виробка);  2 - вертикальні границі зовнішнього контура;  3 - горизонтальні границі зовнішнього контура; p d - детонаційний тиск; t вибух - момент вибуху; 25 30 35 40 x вибух , y вибух - координати центру вибуху. В запропонованому способі імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху в виробці, що проводиться в шаруватому газонасиченому породному масиві буровибуховим способом, ефективність і технічний результат досягаються за рахунок підвищення достовірності моделювання реального поля напружень в масиві від вибуху шляхом формування моделі газонасиченого породного масиву з виробкою, яка проводиться буровибуховим способом, при цьому, враховуючи характер розподілу початкового НДС породного масиву в моделі, який обумовлено вагою вище розміщених гірських порід, тиском газу в поровому просторі гірничого масиву і газоподібних продуктів детонації від вибуху заряду ВР, що дозволяє обґрунтовано оцінити і відтворити реальний характер розподілу напружень і розміри зон руйнування у вибої виробки до вибуху, під час вибуху і після вибуху шпурових зарядів ВР. Суть винаходу пояснюється кресленнями та схемами: Фіг. 1 - загальна схема формування моделі і реєстрації процесу імітації напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху в виробці, яка проводиться в шаруватому газонасиченому породному масиві буровибуховим способом; Фіг. 2 - типова розрахункова кінцево-елементна схема виробки в шаруватому газонасиченому породному масиві з вугільним пластом і зарядами ВР (1-4 - номери зарядів); Фіг. 3 - блок-схема алгоритму рішення задачі імітації напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху; Фіг. 4, Фіг. 5,Фіг. 6, Фіг. 7, - типовий розподіл значень геомеханічного параметру Q  (1  3 ) / H у виробці з анкерним кріпленням в різні моменти 2 UA 86212 U 5 10 15 20 часу: перед вибухом зарядів; в момент вибуху; в наступній ітерації після вибуху та через 30 часових ітерацій, відповідно; Фіг. 8, Фіг. 9 - типовий розподіл зон непружних деформацій: перед вибухом зарядів ВР; в момент вибуху зарядів ВР, відповідно. Спосіб імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху реалізується у такій послідовності. У лабораторії біля стаціонарно розміщеного дослідного преса гідравлічного для навантаження моделей готують майданчик, де розмішують все обладнання для проведення експериментів. Для реєстрації процесів формування напружено-деформованого стану гірського масиву навколо виробки, у вибої і в шаруватому газонасиченому породному масиві, в якому проводиться виробка буровибуховим способом, використовують тензодатчики, а для моделювання газонасиченого породного масиву використовують газоповітряну суміш, з нагнітанням її в камеру, де розміщують модель масиву. Потім для вивчення характеру формування напружено-деформованого стану масиву гірських порід при вибуху навколо та у вибої виробки модель шаруватого газонасиченого масиву виконують у вигляді блока прямокутної форми (1) (Фіг.1) із еквівалентних матеріалів і зразка вугілля (2), розміщеного у формі з піщано-цементним тістом розміром 300×300×400 мм. Піщано-цементне тісто замішують в пропорції 1:1 з добавкою води в співвідношенні 1:1: 0,25. Структурно однорідну підготовлену суміш заливають у форму, де перед цим розташовують зразок вугілля розміром 150×150×300 мм. Підготовлену модель після набору нею 30 % міцності виймають з форми і висушують в повітряному просторі згідно з діючими Держстандартами. В центрі підготовленої моделі (1), де розташований пласт вугілля (2), формують дві порожнини: одна - підготовча виробка (3), інша порожнина для розміщення вибухової речовини (4). Порожнину, що імітує виробку, виконують висотою 0,5hмод та глибиною 0,5lмод , а вибухову порожнину - діаметром 5 мм та глибиною 0,5hвироб . 25 30 35 40 45 У вибуховій порожнині розміщують патрон ВР з ініціатором. Гирло шпура герметизують набійкою. Для вивчення напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху підготовлену модель (1) розміщують в вибуховій камері (5), внутрішня поверхня якої футерована вакуумною резиною (6). На футерованій поверхні камери для реєстрації процесів деформації, зміщення і відриву зруйнованої частини моделі масиву встановлюють тензодатчики (7). Насичення моделі газоповітряною сумішшю здійснюють через отвори (8) в камері (5) з торцевої частини за допомогою трубок (9). Контроль за насиченням моделі сумішшю здійснюється манометром тиску (10), розміщеним на магістралі (11), що підводить суміш, і підключеним до балона (12). Підготовлену модель (1) у вибуховій камері (5) перекривають плунжером (13) та встановлюють між притискними плитами преса. Напружено-деформований стан в моделі (1) формують за рахунок передачі зусилля від притискної плити преса через плунжер (13) в модель гірського масиву. В напруженому стані модель насичують повітряногазовою сумішшю і через деякий час починають вивчати характер розподілу напружень в моделі за рахунок рівномірного з фіксованим кроком навантаження моделі пресом до значень, які характеризують стан масиву на глибоких горизонтах шахт. В напруженій і газонасиченій моделі масиву в порожнині, яка імітує виробку (3), підривають заряд ВР (4) з використанням вибухового приладу (14) та фіксують всі необхідні дані реєстраторами, наприклад осцилографом (15), а інформацію про деформацію, зміщення і відрив зруйнованої частини моделі масиву знімають з тензодатчиків (7). По отриманих даних, знятих з приладів реєстрації (15), визначають зміну в часі параметрів НДС масиву і фільтрації газу в зруйнованому масиві за системою рівнянь:   ij, j  Xi ( t )  Yi ( t )  P( t )  c g t ui ;    p    k p     k p   q( t )  0;      t x  x  y  y       де ij, j - похідні від компонент тензора напруги по х, у; Xi ( t ) - зовнішні сили; Yi ( t ) - сили впливу вибухових хвиль визначають за формулами [4]: sin  r (r, t )  max e  (    n ) [ 0 ( )   0 (     )] r sin n ; 50   sin (   n )  1       (r, t )  max  sin [ 0 ( )   0 (   n )]  e  (   2 n ) [ 0 (   n )   0 (   n    )]  r   3 sin n    n   3 ; UA 86212 U де   t  tпр - час з моменту приходу хвиль напружень в задану точку r ; t - поточний час з моменту вибуху ВР; t пр - час прихода хвилі в заданную точку г; 5 n  (a1  a2r )R0 - час накопичення амплітуди напружень до максимальних значень; r r R 0 - відносна відстань;    /  ; max  545 r n c c r 1,1 - максимальна радіальна напруга в заданій точці; n - щільність породи; c c - швидкість звука в породі; max  (c1  c 2r )  max  r 10 - максимальні тангенціальні напруження в заданій точці r ;   ctg(n ) - коефіцієнт, що характеризує крутизну зростання і спаду амплітуди хвиль напружень в часі;  b1  b2r R0 - коефіцієнт, що характеризує тривалість позитивної фази хвиль напружень; a1  (0,02  0,87  108 nc n )  103 , a2  (0,19  0,122  107 nc n )  104 , b1  150  27  106 nc n , b2  0,2  107 nc n , - розмірні коефіцієнти, які залежать від типу породи; 15 , 1 при t  0, 0 ( )   0, при t  0, - розривна функція нульового порядку. P(t) - сила тиску газу; c g - коефіцієнт демпфірування; t - час; ui - переміщення твердого середовища; 20 25  - в'язкість газу; p - тиск газу; k - коефіцієнт проникності, залежний від співвідношення компонент тензора напружень, який визначається по формулах k  f (t, ij ) ; q - інтенсивність джерел газовиділення. Початкові і граничні умови визначають із даних, знятих з показників тензодатчиків (7), манометра тиску (10) та осцилографа (14), а також із співвідношень: p 1  0,1 МПа; ux ; uy 30 2  0 3  0 ; p t  t вибух , x  x вибух , y  y вибух  pd 2 ; де 1( t ) - внутрішній контур (виробка);  2 - вертикальні границі зовнішнього контуру;  3 - горизонтальні границі зовнішнього контуру; 35 p d - детонаційний тиск; t вибух - момент вибуху; x вибух , y вибух - координати центру вибуху. Технологія способу імітації і подальшого вивчення характеру розподілу напруженодеформованого стану масиву гірських порід у вибої виробки при вибуху виконується таким 4 UA 86212 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 чином (Фіг. 1). Перед проведенням експериментальних досліджень вмикають підготоване обладнання і проводять його тарування. Потім між притискаючими плитами преса встановлюють модель (1), імітуючи шаруватий газонасичений масив з пластом вугілля (2), в якому формують вибій підготовчої виробки (3) і порожнину (шпур) (4) для розміщення заряду ВР. Далі з фіксованим інтервалом проводять випробування в режимі одновісного рівномірного навантаження моделі до показників, які характеризують НДС масиву порід на глибоких горизонтах шахт. В процесі навантаження моделі (1) синхронно знімається інформація про тиск на модель з манометрів, розміщених на пресі. Після створення НДС в моделі (1) її насичують повітряно-газовою сумішшю і через деякий час підривають заряд ВР (4) та фіксують всі необхідні дані реєстраторами, наприклад осцилографом (14), а інформацію про деформацію, зміщення і відрив зруйнованої частини моделі масиву знімають з тензодатчиків (7). Для визначення параметрів полів напружень, деформації і фільтрації газу в зруйнованому масиві під дією вибуху, параметрів зруйнованої частини моделі масиву під дією вибуху використовують методи скінчених елементів [6-8], скінченно-різницевий метод [8]. З використанням цих методів для моделі шаруватого газонасиченого породного масиву будується скінчено-елементна сітка (Фіг. 2). Згідно з паспортом БВР задаються координати закладки шпурових зарядів (Фіг.2) для руйнування гірських порід з відповідними фізико-механічними властивостями за розробленою методикою досліджень згідно з блок-схемою (Фіг. 3). В результаті розрахунку отримують розподіли полів напружень в кожній точці досліджуваної області (Фіг. 4. Фіг. 5, Фіг. 6,Фіг. 7), зон непружних деформацій - зон руйнування (Фіг. 8, Фіг.9 ) та полів тиску і швидкості фільтрації газу. Використання розробленого способу імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху заряду ВР дозволить отримати реальну інформацію про характер розподілу напружень навколо виробки в масиві гірських порід і чисельні значення параметрів, що характеризують описані вище процеси у будь-якій точці масиву; можливість варіювання будь-яких технологічних параметрів при веденні гірничих робіт в шахті, що дозволить обґрунтовано і з високою достовірністю отримати дані про результати моделювання (урахування тиску газу, який знаходиться в масиві гірських порід, підвищує точність розрахунків на 60 %, а начальних полів напружень - в 2,5 разу [9]). Запропонований спосіб імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху заряду ВР може бути використаний для вибору і обґрунтування параметрів буровибухових робіт - комплекту врубових, відбійних, допоміжних і оконтурювальних шпурів, що дозволить обґрунтовано підійти до місця їх закладки у вибої підготовчої виробки і тим самим знизити енергетичні витрати при відбійці гірських порід на глибоких горизонтах вугільних і рудних шахт. Джерела інформації: 1. Определение толщины откола напряженного газонасыщенного массива при динамическом нагружении/ Э.И. Ефремов, В.Н. Харитонов, И.А. Семенюк, Л.Ф. Чернигина // Внезапные выбросы на больших глубинах: сб. науч. трудов. - Киев: Наукова думка, 1979. - С. 312. 2. Боровиков В.А. Методика расчета коэффициента сближения при уступной отбойке / В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин, С.Ф. Цирель. - Изв. вузов. Горный журнал, 1983. - № 8. - С. 45-50. 3. Адушкин В.В. Геомеханика крупномасштабных взрывов / В.В. Адушкин, А.А. Спивак. - М.: Недра, 1993.-319 с. 4. Боровиков В.А. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород / В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин. - М.: Недра, 1990.-231 с. 5. А с № 796420, СССР, МКИ Е21С 39/00. Способ имитации напряженного состояния горного массива на моделях из эквивалентных материалов / Э.А. Курносов, Б.Я. Линденберг и А.В. Берзон. - № 2473506/22-03; заявл. 04.04.77; опубл. 15.01.81. - Бюл. № 2.-5 с. 6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975.-542 с. 7. Амусин Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. - М.: Недра, 1975.-144 с. 8. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М. Мир, 1979.-392 с. 9. Круковская В.В. Исследование степени связанности процессов изменения напряженного состояния массива, воздействия от взрыва шпуровых зарядов и фильтрации газа. // Геотехническая механика: Сб. научн. тр. / НАН Украины ИГТМ. - Днепропетровск, 2012. - № 101. - С. 138-146. 5 UA 86212 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб імітаційного моделювання напружено-деформованого стану гірського масиву при вибуху, який включає формування моделі гірського масиву з виробкою, прикладання до неї рівномірно розподіленого навантаження, який відрізняється тим, що модель шаруватого газонасиченого масиву виконують у вигляді блока прямокутної форми із еквівалентних матеріалів і зразка вугілля, розміщеного у формі з піщано-цементним тістом, потім в торці моделі масиву, що має пласт вугілля, формують дві порожнини, одна, що імітує гірничу виробку, інша для розміщення вибухової речовини, причому в порожнину для розміщення вибухової речовини встановлюють патрон ВР з ініціатором, а гирло герметизують набійкою, підготовлену модель розміщують у вибухову камеру, торцева поверхня якої має трубки для подачі газу в модель гірського масиву, а параметри руйнування фіксують тензодатчиками, розташованими по внутрішньому периметру футерованої поверхні камери, крім того навантаження моделі здійснюється через плунжер, з'єднаний з притискною плитою преса, далі, після навантаження моделі з фіксованим кроком і насичення її газом, проводять підривання заряду ВР, а по граничних показниках, знятих з приладів реєстрації, визначають зміну в часі параметрів НДС масиву і фільтрації газу в зруйнованому масиві за системою рівнянь:    ij, j  X i ( t )  Yi ( t )  P( t )  c g t u i ;    p    k p     k p   q( t )  0;      t x  x  y  y     20 де  ij, j - похідні від компонент тензора напруги по х, у; X i ( t ) - зовнішні сили; Yi ( t ) - сили впливу вибухових хвиль; P(t) - сила тиску газу; c g - коефіцієнт демпфування; 25 t - час; ui - переміщення твердого середовища;  - в'язкість газу; 30 p - тиск газу; k - коефіцієнт проникності, залежний від співвідношення компонент тензора напружень, який визначається по формулах k  f ( t,  ij ) ; q - інтенсивність джерел газовиділення, а початкові і граничні умови визначають із даних, знятих з показників тензодатчиків, манометра тиску та осцилографа, а також із співвідношень: p 1  0,1 МПа; 0; ux 2 uy 35 3  0 ; p t tвибух , x xвибух , y yвибух  pd ; 2 де 1( t ) - внутрішній контур (виробка);  2 - вертикальні границі зовнішнього контура; 40  3 - горизонтальні границі зовнішнього контура; p d - детонаційний тиск; t вибух - момент вибуху; x вибух , y вибух - координати центру вибуху. 6 UA 86212 U 7 UA 86212 U 8 UA 86212 U 9 UA 86212 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10