Спосіб дослідження стану блочно-структурованого гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням

Реферат: Спосіб дослідження стану блочно-структурованого гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою необхідної форми перерізу, анкерними штангами і полімерним закріплювачем. Тріщини між породними блоками моделюють чотиривузловими контактними скінченними елементами необхідної довжини, які розміщують у місцях їх передбачуваного розташування. Задають жорсткість контактної взаємодії цих скінченних елементів, яка визначається шляхом випробувань зразків порід на зсув за допомогою пресу. Проводять чисельний розрахунок моделі та визначають величину напружень і деформацій у кожному елементі моделі гірського масиву і анкерних штанг, а також величину зміщень породних блоків, що містяться між елементами-тріщинами, у простір виробки. UA 107071 U (54) СПОСІБ ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ БЛОЧНО-СТРУКТУРОВАНОГО ГІРСЬКОГО МАСИВУ НАВКОЛО ГІРНИЧОЇ ВИРОБКИ З АНКЕРНИМ КРІПЛЕННЯМ UA 107071 U UA 107071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до механіки гірських порід, а саме методології моделювання роботи анкерного кріплення у гірському масиві навколо гірничої виробки. Відомий спосіб визначення напружено-деформованого стану масиву гірських порід з тунелем, який закріплено анкерами. Він дозволяє з високою точністю визначати розподіл напружень, напрямок і величину деформацій в пружно-пластичному, ізотропному, однорідному масиві з тунелем круглого перерізу, який закріплено анкерами із замковим закріпленням [1]. Але для обґрунтування таких параметрів анкерного кріплення гірничих виробок, як довжина анкерів, щільність їх розташування у масиві, кути нахилу анкерів та ін., необхідно дослідження напружено-деформованого стану шаруватого, деколи блочно-структурованого гірського масиву навколо гірничої виробки із анкерами, які по всій їх довжині закріплено сучасним полімерним закріплювачем [2]. Ґрунтовне вивчення впливу сталево-полімерних анкерів на масив із застосуванням методів геомеханіки дозволяє вибирати оптимальні параметри кріплення, визначати ефективність нових схем кріплення, що сприяє підвищенню стійкості гірничої виробки та безпеці праці шахтарів. Найбільш близьким по суті (прототип) до способу, що заявляється, є спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням [3], 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 із шахтних спостережень випливає, що в певних гірничо-геологічних умовах між рядами анкерів починають виникати тріщини, масив розділяється на блоки. Найчастіше тріщини виникають між анкерами, які знаходяться на віддаленні, що перевищує відстань їх ефективної взаємодії. В слабких породах такі тріщини можуть мати значну протяжність вздовж виробки. Аналогічно при великій відстані між рядами анкерів розвиваються тріщини у площині, перпендикулярній осі виробки. Сформовані таким чином в покрівлі та бортах породні блоки отримують можливість зміщення усередину виробки. Для дослідження напружено-деформованого стану розділеного на блоки масиву гірських порід навколо виробки та можливості запобігання зсувам породних блоків за допомогою анкерного кріплення даний спосіб недостатньо дієвий, тому що він призначений для моделювання суцільних середовищ. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб дослідження стану блочно-структурованого гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням за рахунок введення спеціальних контактних елементів, які моделюють тріщини у масиві, до розрахункової схеми породного масиву з гірничою виробкою необхідної форми перерізу, анкерними штангами і полімерним закріплювачем, що дозволяє досліджувати працездатність елементів анкерного кріплення у блочно-структурованому гірському масиві при обґрунтуванні технологічних параметрів кріплення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дослідження стану блочноструктурованого гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням, який включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою необхідної форми перерізу, анкерними штангами і полімерним закріплювачем, жорстке закріплення моделі на контурі, згідно з корисною моделлю, тріщини між породними блоками моделюють чотиривузловими контактними скінченними елементами необхідної довжини, які розміщують у місцях їх передбачуваного розташування, задають жорсткість контактної взаємодії цих скінченних елементів, яка визначається шляхом випробувань зразків порід на зсув за допомогою пресу, проводять чисельний розрахунок моделі, визначають величину напружень і деформацій у кожному елементі моделі гірського масиву і анкерних штанг, а також величину зміщень породних блоків, що містяться між елементами-тріщинами, у простір виробки. Застосування контактних скінченних елементів для моделювання тріщин між породними блоками дозволяє адекватно відтворювати відповідні гірничо-геологічні і технологічні особливості гірського масиву, а саме проковзування одного краю тріщини відносно другого та взаємодію блоків, відокремлених тріщинами, при дослідженні його напружено-деформованого стану під час проведення гірничої виробки, а також вивчати вплив розташування анкерів у блочно-структурованому масиві на стійкість виробки. Це надає змогу досліджувати 1 UA 107071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 працездатність елементів анкерного кріплення у блочно-структурованому гірському масиві при обґрунтуванні технологічних параметрів. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено скінченно-елементну модель гірського масиву з виробкою 1 у повздовжньому перерізі, анкерними штангами 2 та породним блоком 3, який оконтурюється трьома контактними елементами "тріщини" 4; на фіг. 2 - чотиривузловий контактний скінченний елемент 4 для моделювання тріщини; на фіг. 3 приклад результату розрахунку напружень у породному масиві (а саме - параметра Q  (1  3 ) / H , де 1 - максимальна компонента тензору головних напружень, МПа,  3 мінімальна компонента тензору головних напружень, МПа,  - усереднена вага гірських порід, 3 які розташовані вище, Н/м , H - глибина розташування виробки, м) та зміщень породного блока 3 в покрівлі виробки 1 без анкерів; на фіг. 4 - приклад результату розрахунку напружень у породному масиві (параметра Q ) та зміщень породного блока 3 в покрівлі виробки 1 з анкерами, встановленими за простою схемою; 5 - приклад результату розрахунку напружень у породному масиві (параметра Q ) та зміщень породного блока 3 в покрівлі виробки 1 з анкерами, встановленими за посиленою схемою. На кресленні наведено наступні позначення: Ui , Ui - переміщення i-го вузла у системі локальних координат  ,  , м; - 1,6 < Q; - 1,2 < Q < 1,6; - 0,8< Q