Спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням

Реферат: Спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням включає створення комп'ютерної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою, розбиття скінченно-елементної сітки, жорстке закріплення моделі на контурі. Шаруватий породний масив, однорідний у межах кожного породного шару, з виробкою необхідної форми перерізу моделюють дво- або тривимірними скінченними елементами з фізико-механічними властивостями, що визначають шляхом випробувань зразків порід за допомогою преса, анкерні штанги - стрижневими скінченними елементами з фізикомеханічними властивостями відповідного сталевого прокату, полімерний закріплювач контактними скінченними елементами, контактні характеристики яких визначають шляхом проведення тестів на висмикування зразку анкера довжиною 300 мм за допомогою спеціального пристрою - штанговисмикувача. Потім проводять чисельний розрахунок моделі, визначають величину напружень і деформацій у кожному елементі моделі гірського масиву з анкерними штангами, які закріплено по всій довжині полімерним закріплювачем. UA 100666 U (54) СПОСІБ ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ГІРСЬКОГО МАСИВУ НАВКОЛО ГІРНИЧОЇ ВИРОБКИ З АНКЕРНИМ КРІПЛЕННЯМ UA 100666 U UA 100666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до механіки гірських порід, а саме моделювання роботи анкерного кріплення у шаруватому масиві навколо гірничої виробки з метою визначення параметрів кріплення. 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 визначення таких параметрів анкерного кріплення, як довжина анкерів, щільність їх розташування у масиві, кути нахилу анкерів та ін., необхідно дослідження напруженодеформованого стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням. Ґрунтовне вивчення впливу сталевополімерних анкерів на масив із застосуванням методів геомеханіки дозволяє зрозуміти механізми дії анкерного кріплення, обирати його оптимальні параметри, визначити ефективність нових схем кріплення, що сприяє підвищенню стійкості гірничої виробки та безпеці праці шахтарів. Найбільш близьким по суті (найближчий аналог) до способу, що заявляється, є спосіб визначення пружно-деформованого стану масиву гірських порід з тунелем, який закріплено анкерами [2], що включає створення двовимірної комп'ютерної моделі пружно-пластичного, ізотропного, однорідного масиву з тунелем круглого перерізу, розбиття скінченно-елементної сітки, жорстке закріплення моделі на контурі, внесення до моделі стрижневих скінченних елементів, жорстко з'єднаних з сіткою у двох точках, які моделюють роботу анкерів із замковим закріпленням, та проведення чисельного розрахунку моделі, що дозволяє визначити величину напружень і деформацій у кожній точці моделі гірського масиву. Але необхідно відзначити, що даний спосіб має ряд недоліків: - гірський масив у природі має шарувату структуру з відмінними фізико-механічними властивостями кожного породного шару; - у гірничій промисловості використовуються виробки прямокутного, трапецієвидного та аркового перерізу; - у деяких випадках, наприклад для обґрунтування параметрів просторового розташування анкерів, необхідно досліджувати тривимірну модель; - сучасні сталево-полімерні анкери закріплюють не в двох точках (замкове закріплення), а по всій їх довжині міцним полімерним закріплювачем; - поряд з розрахунком напруженого стану гірського масиву дуже важливо обчислити напружений стан анкерних штанг для визначення ступеня їх включення до роботи в анкернопородній конструкції. Тому даний спосіб недостатньо дієвий для моделювання сучасних анкерно-породних конструкцій. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням за рахунок введення до розрахункової схеми породного масиву з гірничою виробкою необхідної форми перерізу стрижневих скінченних елементів з фізико-механічними властивостями відповідного сталевого прокату для моделювання роботи анкерних штанг; контактних скінченних елементів, контактні характеристики яких визначаються шляхом проведення тестів на висмикування зразку анкера, для моделювання полімерного закріплювача, а також завдання різних фізико-механічних властивостей для кожного породного шару, внаслідок чого розраховується розподіл значень полів напружень та деформацій не тільки у масиві гірських порід навколо виробки з анкерним кріпленням, але і в анкерних штангах для визначення ступеня їх навантаження та включення до роботи в анкерно-породній конструкції. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням, який включає створення комп'ютерної моделі пружно-пластичного, ізотропного масиву з гірничою виробкою, розбиття скінченноелементної сітки, жорстке закріплення моделі на контурі, згідно з корисною моделлю шаруватий породний масив, однорідний у межах кожного породного шару, з виробкою необхідної форми перерізу моделюють дво- або тривимірними скінченними елементами з фізико-механічними властивостями, що визначаються шляхом випробувань зразків порід за допомогою преса, анкерні штанги - стрижневими скінченними елементами з фізико-механічними властивостями відповідного сталевого прокату, полімерний закріплювач - контактними скінченними елементами, контактні характеристики яких визначаються шляхом проведення тестів на висмикування зразку анкера довжиною 300 мм за допомогою спеціального пристрою штанговисмикувача, проводять чисельний розрахунок моделі, визначають величину напружень і деформацій у кожному елементі моделі гірського масиву з анкерними штангами, які закріплено 1 UA 100666 U 5 10 15 20 25 30 35 по всій довжині полімерним закріплювачем, при цьому за необхідністю анкерні шайби, гайки та підхоплення моделюють фрагментами відповідної форми із трикутних скінченних елементів для двовимірної моделі (призматичних елементів для тривимірної). Застосування стрижневих скінченних елементів для моделювання роботи анкерів та контактних скінченних елементів для моделювання полімерного закріплювача дозволяє адекватно відтворювати механізм дії сталевих анкерів, які закріплено у масиві по всій їх довжині полімерним закріплювачем, та процеси утворення анкерно-породної опори навколо кожної з анкерних штанг і об'єднання таких опор у єдину конструкцію. Аналіз розподілу напружень, отриманих в результаті чисельного розрахунку запропонованої моделі, надає можливість визначити або скорегувати такі параметри анкерного кріплення гірничих виробок, як довжина анкерів, щільність їх розташування, кути нахилу, оптимальна відстань між вибоєм виробки та першим рядом анкерів. За необхідністю моделювання інших елементів анкерного кріплення, зокрема анкерних шайб, гайок або підхоплення, до моделі додаються фрагменти відповідної форми із трикутних скінченних елементів для двовимірної моделі, або призматичних елементів для тривимірної. Це надає змогу досліджувати вплив кожного з елементів анкерного кріплення на загальний напружено-деформований стан приконтурних порід та стійкість гірничої виробки. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 і 2 зображено приклади двовимірної скінченно-елементної моделі гірського масиву 1 відповідно у поперечному та повздовжньому перерізах, який моделюється за допомогою трикутних скінченних елементів 2, з породними шарами 3, що відрізняються своїми фізико-механічними властивостями (модуль пружності, Е, МПа, коефіцієнт Пуассона, μ, зчеплення, С, МПа, кут внутрішнього тертя, φ,°, міцність на стиск, σс, МПа, міцність на розтяг, σр, МПа), з гірничою виробкою 4 та анкерами 5, з параметрами анкерного кріплення: відстань між вибоєм виробки та першим рядом анкерів а, відстань між рядами анкерів b, кут нахилу анкерів β довжина анкерів l; на фіг. 3 - трикутний та призматичний скінченні елементи 2 для двовимірної та тривимірної моделей; на фіг. 4 стрижневий скінченний елемент для моделювання роботи анкерів; на фіг. 5 - контактний скінченний елемент для моделювання роботи полімерного закріплювача; на фіг. 6 - схема проведення тесту на висмикування зразку анкера 6, закріпленого у шпурі 7 протягом 300 мм полімерним закріплювачем 8, за допомогою штанговисмикувача 9; на фіг. 7 - результат розрахунку напружень (а саме - параметру Q=(σ1-σ3)/γΗ, де σ1 - максимальна компонента тензору головних напружень, МПа, σ3 - мінімальна компонента тензору головних напружень, 3 МПа, γ - усереднена вага гірських порід, які розташовані вище, Н/м , Н - глибина розташування виробки, м) для скінченно-елементної схеми фіг. 1 із зонами непружних деформацій 10, що визначають ймовірні області руйнування гірського масиву. i i i На кресленні наведено наступні позначення: U x, U y, U z - переміщення i-го вузла у i напрямках координатних осей х, у, z, м; L - довжина стрижневого скінченного елемента, м; U η, i U ξ - переміщення i-го вузла у системі локальних координат η, ξ, м; 40 45 50 55 - 1,6