| Библиотека|

Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський
науково-технічний журнал гірничого профілю / Гол.
ред. Александров С. М. - Донецьк: ДонНТУ, 2004. - 150с.



УДК 622.831

Компьютерная модель для расчета перераспределения горного давления при произвольном порядке развития очистных работ в свите пластов

Д–р техн. наук М.П.Зборщик, инж. В.В.Вишневецкий, (ДонГТУ)

При отработке свиты пластов важно иметь данные о распределении горного давления на конкретном участке шахтного поля в плоскости одного из отрабатываемых пластов, что дает возможность прогнозировать устойчивость подготовительных выработок, вывалы кровли в очистных забоях. Информация о зонах повышенной концентрации напряжений позволяет производить профилактические мероприятия по повышению устойчивости находящихся в этих зонах подготовительных и подготавливающих выработок, а также упрочнению пород кровли на опасных участках в очистных забоях.

При отработке свиты пластов возникают показанные на рис.1, а ситуации с наложениями проекций выработанных пространств по нескольким пластам. В таких случаях длительными пробными усилиями подбираются эквивалентные жесткости, при которых расчетные и реальные напряжения близки. Поэтому при использовании модели–плиты для расчета горного давления в плоскости верхнего пласта разрабатываемой свиты необходимо создание программного блока автоматической настройки плиты на конкретные ситуации. Все ситуации сводятся к схеме, показанной на рис. 1,б. Эквивалентная жесткость основания балки на участке, попадающем в проекцию выработанного пространства по одному или нескольким пластам, должна быть такой, чтобы прогиб точки 1 основания плиты был равен максимальному оседанию породной толщи над этим участком. Для определения оседания точки породной толщи предложена зависимость между опусканием точки породной толщи Sм на расстоянии Hм от земной поверхности и опусканием земной поверхности

Sм= S0 K (1 + λL / H) / (1 + (λL / H)–Hм / H ). (1)

Здесь λ = 0.5 ctgγ (γδе γ – угол сдвижений, рад); L – ширина выработанного пространства, м; H – глубина, на которой отрабатывается лава, м; K – коэффициент, учитывающий разуплотнение массива при подработке (К = 0.8 –0.95).

Для определения оседания точки 1 (рис. 1,б) породной толщи от выемки нескольких пластов свиты необходимо рассчитать суммарное оседание земной поверхности при их разработке, а затем воспользоваться формулой (1). После этого путем подбора величины модуля Юнга Е, мощности h и жесткости основания G плиты при заданных размерах проекции наложения выработанных пространств по нескольким пластам L необходимо получить по центру плиты (точка 1) прогиб, равный оседанию породной толщи в данной точке. Это довольно сложно в условиях многофакторной зависимости w = f (E, h, G, L). Чтобы в равной мере учесть в ней влияние всех четырех факторов на прогиб w и выполнить для этого минимальное число расчетов, проведено предварительное планирование эксперимента методом латинского квадрата. Каждому из четырех влияющих параметров E, h, G, L задавалось пять значений, пределы изменения параметров были предварительно обоснованы и выбраны. Предварительными настроечными расчетами установлено, что жесткость основания, обеспечивающая его опускание на величину 250 мм при геостатическом давлении около 25МПа Па, составляет 95.8 МПа/м2. Поэтому для участков основания плиты с наложением проекций выработанных пространств по смежным пластам приняты пределы изменения жесткости от 5 до 77 МПа/м2.

Результаты расчетов, запланированных латинским квадратом, приведены в таблице. Планирование сократило объем расчетов в 25 раз путем замены 625 сочетаний влияющих факторов на 25 специально подобранных сочетаний вариантов. Так как прогиб плиты прямо пропорционален величине выработанного пространства и обратно пропорционален модулю Юнга, мощности плиты и жесткости основания, то введены два комплексных параметра, которые отражают физическую природу модели–плиты: t1 = Eh / 3000 и t2 = 3G/L. Прогиб плиты можно представить как функцию параметров:w = f (t1, t2).

Проекция поверхности, определяемой данной зависимостью, показана на рис.2. Разработанный пакет программ позволяет интерполяционным способом по параметрам t1 и t2 с высокой точностью получать значение прогиба плиты.

Таким образом, для настройки математической модели-плиты на упругом основании на конкретные разнообразные ситуации с наложением выработанных пространств по нескольким пластам и для последующего расчета горного давления в плоскости верхнего пласта отрабатываемой свиты необходимо:

  1. рассчитать опускание дневной поверхности S0 при отработке свиты пластов;
  2. рассчитать базовый настроечный параметр – опускание точки породной толщи Sм, которая является основанием плиты по формуле (1);
  3. при выбранных из конкретных горно-геологических условий значениях модуля Юнга, мощности плиты и заданном значении размера выработанного пространства определить интерполяцией с помощью специального пакета программ значение эквивалентной жесткости основания для всех интересующих участков в пределах данного фрагмента шахтного поля;
  4. произвести вычисления горного давления, используя полученные значения эквивалентных жесткостей участков.

Необходимость разработанной автоматической настройки применяемого метода расчета горного давления очевидна при его определении на участках шахтного поля, где отрабатываются два и более пластов. В результате исследований для участка шахтного поля шахты им. Горького, в пределах которого ведутся очистные работы по пластам h10, h8, h7, было получено распределение напряжений по пласту h10 (рис.2). Это помогло определить участки повышенной концентрации напряжений в плоскости пласта и предсказать неизбежность опасных проявлений горного давления в очистном забое и в примыкающих к нему подготовительных выработках перед 9-й восточной панелью, что помогло своевременно выбрать охранные мероприятия для поддержания выработок.

Разработанный алгоритм позволяет оперативно настроить математическую модель-плиту на конкретные горно-геологические условия свиты пластов, произвести расчет распределения горного давления на интересующем участке и своевременно обосновать мероприятия по охране выработок.

М.П. Зборщик, В.В. Вишневецкий, 1998


| Библиотека|