Введення

Маркшейдерські служби контролюють безпечне ведення гірничих робіт. При розробці шахти з'являються небезпечні зони, де розробка неможливо без прийняття додаткових заходів з безпеки. В даний час розробка пластів корисної копалини неможлива без використання бар'єрних ціликів. Бар'єрний цілик - частина покладу корисних копалин, що залишається для запобігання гірських виробок від можливих проривів води з водоносних горизонтів і близько розташованих водойм (річок, озер, ставків і т.п.), [ 1 ] а також прориву води, газів або замулювальних глини з раніше пройдених і затоплених виробок сусідніх шахт бар'єрний цілик служить також для відділення шахтних полів сусідніх підприємств. В незайманому масиві гірські породи знаходяться в напруженому стані, а після проведення гірничих виробок і навколо порожнини після виїмки вугілля, концентрується зона опорного тиску. Як уже встановлено, зони підвищеного тиску утворюються над і під цілком і крайовими частинами лав, а незаймані вугільні цілики виступають концентратором напружень в вуглепородного масиву. В даний час при вивченні напруженого стану привибійної частини вугільного пласта приймається, що вона входить в зону впливу виробки. Схематично такий поділ на зони впливу вироблення і "недоторканий" масив представлено на рис.1. [ 2 ].

Рисунок 1 – Схематичне перетин очисного вибою прямокутної форми, по І. М. Пєтухову [ 2 ]

1 – область впливу виробки; 2 – зона опорного тиску; 3 – кордон зони розвантаження; 4 – кордон захищеної зони; 5 – кордон зони повних зрушень; 6 – зона зрушення порід і земної поверхні, що виникає в результаті деформації масиву в зоні опорного тиску

1. Актуальність теми

Тому актуальним науковим та практичним завданням є дослідження напружено–деформованого стану вугільного пласта і навколишнього гірського масиву в околиці бар'єрних ціликів при різній фортеці потужних порід покрівлі і грунту вугільного пласта, вивчення геомеханічних процесів в гірському масиві при оконтурюванні междушахтного бар'єрного цілика з метою оптимізації розмірів очисної виробки при плануванні гірничих робіт на різній глибині їх проведення, ісследованініе ступеня руйнування междушахтних бар'єрних ціликів і недопущення проникнення води в гірничі виробки діючої шахти, в разі затоплення гірських виробок сусідньої шахти.

Рисунок 2 – Схема руйнування цілика по мірі відпрацювання свити пластів

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Ідея роботи полягає у використанні зв'язку між механічними показниками і геологічними і технологічними показниками і розмірами цілика.

Мета роботи в підвищенні безпеки гірничих робіт за рахунок визначення розрахункових параметрів бар'єрного цілика.

Для досягнення поставленої мети визначено такі завдання дослідження:

1. Вивчити стан проблеми забезпечення стійкості бар'єрних ціликів, проаналізувати методики розрахунку бар'єрних ціликів і заходи їх безпеки;
2. Постановка завдання, виявлення та обгрунтування граничних умов і методик для виконання роботи;
3. Обгрунтування методу кінцевих елементів і досліджуваних чинників в якості основного інструменту дослідження;
4. Виконання числового експерименту;
5. Аналіз отриманих результатів;
6. Висновки за отриманими результатами.

Об'єкт дослідження : процес перерозподілу напружень бар'єрного цілика.

Предмет дослідження : параметри бар'єрних ціликів.

Плановані результати:

1. Розробка методики математичного моделювання процесу деформування і руйнування на різній глибині междушахтних бар'єрних ціликів у свиті пластів різноманітної потужності під впливом очисних робіт в вуглепородного масиву різної міцності гірських порід методом кінцевих елементів;
2. У розробці алгоритму формування системи вузлових точок і програмного забезпечення, що реалізує математичну модель відбуваються геомеханічеескіх процесів;
3. У підготовці розрахункових схем і проведенні обчислювальних експериментів;
4. В аналізі та узагальненні отриманих результатів.

3. Огляд досліджень і розробок

Оскільки видобуток корисних копалин з надр землі розвинена по всьому світу, то її проблемами займаються всі країни світу, в тому числі і України.

3.1 Огляд міжнародних джерел

В даний час для вирішення проблеми стійкості бар'єрних ціликів в міжнародній практиці використовується методів кінцевих елементів [ 3 - 12 ].

3.2 Огляд досліджень по темі в Україну

На території Україні дослідженнями геомеханічних процесів, що відбуваються в вуглепородного масиву в результаті ведення підземних гірничих робіт, займаються науково–дослідний інститут УкрНДМІ НАН і відділення фізико–технічних проблем ДонФТІ НАН України. [ 13 ].

3.3 Огляд досліджень по темі в ДонНТУ

Кафедра маркшейдерської справи в Донецькому Національному Технічному Університеті є однією з провідних наукових організацій, яка займається геомеханічних процесів, що відбуваються в вуглепородного масиву в результаті ведення підземних гірничих робіт. Цими проблемами займаються д.т.н. . проф. М.М. Грищенко та д.т.н. . проф В.В. Назимко.

4. Перший розділ

Перший розділ моєї магістерської роботи присвячений огляду вже наявної літератури для аналітичного огляду досліджень з проблем напруженого–деформованого стану при очисних роботах на вугільних пластах, розрахунками бар'єрних ціликів у свиті пластів встановлено наступне:

1. У розрахункових методах визначення бар'єрних ціликів не повною мірою враховуються особливості протікання геомеханічних процесів в оконтурювальних цілик лавах, залежне в першу чергу від параметрів очисних вибоїв і глибини залягання пласта.
2. Внаслідок тривалого впливу зон підвищеного гірничого тиску на бар'єрний цілик, його крайова частина піддається руйнуванню. Це не в повній мірі враховується в існуючих формулах з розрахунку бар'єрних ціликів.
3. Так як в результаті модделірованія ми повинні отримати відомості про геомеханічних процесах не тільки на кордонах цілика і порід, а й усередині товщі крівлі і грунту, а також в самому вугільному пласті і свиті пластів, перевагу було віддано методу кінцевих елементів.

5. Застосування Ansys

ANSYS – універсальна програмна система кінцево–елементного аналізу, існуюча і розвивається протягом останніх 30 років, є досить популярною у фахівців в області комп'ютерного інжинірингу та кінцеві елементів рішення лінійних і нелінійних, стаціонарних і нестаціонарних просторових задач механіки деформівного твердого тіла та механіки конструкцій (включаючи нестаціонарні геометрично і фізично нелінійні задачі контактної взаємодії елементів конструкцій), завдань механіки рідини і газу, теплопередачі і теплообміну, електродинаміки, акустики, а також механіки зв'язаних полів. Моделювання та аналіз в деяких областях промисловості дозволяє уникнути дорогих і тривалих циклів розробки типу «проектування – виготовлення – випробування». Система працює на основі геометричного ядра Parasolid. [ 14 ].

Міцнісний аналіз конструкцій є, мабуть, найбільш поширеним додатком методу кінцевих елементів. Термін конструкція відноситься не тільки до таких інженерним спорудам, як мости та будівлі, але також і до різноманітних деталей машин. Основними невідомими, обумовленими у всіх типах прочностного аналізу конструкцій, є переміщення. Решта величини – деформації, напруги, зусилля – обчислюються за цим вузловим переміщенням [ 15 - 16 ].

У програмі ANSYS доступні наступні види прочностного аналізу:

• статичний аналіз – обчислення переміщень, напруг і т.д. в умовах статичного навантаження;
• модальний аналіз – визначення власних частот і форм коливань;
• гармонійний аналіз – визначення відгуку конструкції на гармонійні складові обурює навантаження;
• динамічний аналіз – визначення відгуку конструкції на дію довільної навантаження як функції часу;
• спектральний аналіз – розширення модального аналізу для обчислення напружень та деформацій при дії спектру частот або випадкової вібрації;
• аналіз стійкості – розрахунок критичних навантажень і визначення форм втрати стійкості.

Крім того, є можливість проводити спеціальні види розрахунків в області механіки руйнування, міцності композитних матеріалів і втомного руйнування.

Більшість ANSYS–елементів призначені для проведення розрахунків на міцність конструкцій – від простих балок і стержнів до багатошарових оболонок і суцільних тіл при великих деформаціях.

База даних

У програмі ANSYS використовується одна, центральна, база даних для всього набору відомостей, що відносяться до моделі і результатами рішення (рис.3). Відомості про модель (включаючи дані про геометрію твердотільної і кінцево–елементної моделей, властивості матеріалів і т.д.) записуються в базу даних на стадії препроцесорну підготовки. Навантаження і результати вирішення записуються процесором рішення. Дані, отримані на основі результатів рішення при їх постпроцессорной обробці, записуються постпроцесорів. Відомості, внесені одним з процесорів, доступні, при необхідності, для інших процесорів. Наприклад, загальний постпроцесор може зчитувати дані, пов'язані з рішенням і моделі, а потім використовувати їх для Постпроцессорние обчислень [ 16 ].

Формат файлів

Файли використовуються для пересилання даних з однієї частини програми в іншу, для створення бази даних і для збереження вихідних результатів роботи. Ці файли містять файли бази даних, результатів, графічних об'єктів і т.п. Створювані програмою файли мають формат ASCII (тобто можуть легко читатися і редагуватися) або двійковий формат. За замовчуванням бінарні файли створюються програмою ANSYS з використанням зовнішнього формату (IEEE Standard), що забезпечує обробку даних різними апаратними засобами. Наприклад, дані про геометрію моделі можуть бути створені користувачем в одній комп'ютерній системі, а потім без труднощів використані іншим користувачем програми, встановленої на іншій платформі [ 17 ].

Рисунок 3 – Діаграма зв'язків центральної бази даних програми ANSYS

Поява ЕОМ стимулювало розвиток методу кінцевих елементів (МКЕ), математичні основи якого були сформульовані відомим математиком Р. Курантів в 1943 р. Розглянемо застосування цього методу до розрахунку пружної пластини, що знаходиться в умовах плоского напруженого стану, при використанні найпростіших трикутних кінцевих елементів.

На рис. 4 зображена плоска область, складена з трикутників. Кожен трикутник є кінцевим елементом, що має свій порядковий номер. Загальні вершини трикутних кінцевих елементів називаються вузлами, які також нумеруються. Кордон області являє собою ламану лінію. Кінематичні граничні умови задаються у вузлах на кордоні. Навантаження на кордоні замінюються зосередженими силами у вузлах, зв'язок кінцевих елементів між собою здійснюється також у вузлах [ 18 ].

Рисунок 4 – Область складена з трикутників

В кожному вузлі невідомими є переміщення по осях Ox і Oy, Позначимо переміщення в вузлі з номером i через ui іy I (по осях Ox і Oy відповідно). Нехай n – число вузлів в обраному розбитті. Тоді загальна кількість невідомих дорівнюватиме 2n.

Висновки

Аналітичні методи розрахунку напружено–деформованого стану гірського масиву в околиці очисних виробок та вугільних ціликів дозволяють з достатньою точністю визначити параметри гірського тиску в околиці очисних і підготовчих виробок з умовою коригувань фізико–механічних властивостей гірських порід.

Для обгрунтування методики розрахунку оптимальних розмірів очисних гірських робіт при їх плануванні поблизу междушахтних бар'єрних ціликів В саіте пластів з урахуванням глибини їх проведення і різної фортеці потужних порід покрівлі і грунту вугільного пласта необхідно проаналізувати і вивчити ПДВ системи цілик – гірнича виробка – товща вміщуючих порід. Математичні методи моделювання геомеханічних процесів дозволяють виконати аналіз вплив різних технологічних схем відпрацювання пласта поблизу цілика.

Використання комп'ютерного моделювання дозволяє проводити експерименти по руйнуванню бар'єрних ціликів з меншою витратою часу й коштів, ніж масштабне моделювання в лабораторіях. Застосування методу кінцевих елементів дозволяє проводити комп'ютерне моделювання з високою точністю.

Комплекс методу кінцевих елементів ANSYS є оптимальним інструментом для вирішення поставленого завдання, а саме для вивчення напружено–деформованого стану ціликів У свиті пластів в залежності від розмірів оконтурювальних його очисних виробок, глибини залягання і потужності вугільного пласта.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата завершення: грудень 2012 року.

Список джерел

1. Большая Советская Энциклопедия. М., т. 24, ч. I: Советская Энциклопедия, 1976, с. 62.
2. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. - М: Недра, 1973. –144 с.
3. Atkinson R.H., Ko H.-Y. Statistical variation on the compliance of coal.- Proc.2nd Int.Conf.numerical Methods in Geo-mech., Blacksburg,Va.,USA,vol.1, 1976, pp.367-3SO.
4. Blake W. Rock burst research at the Galena Mine»Wallace, Idaho. -US Bureau of Mines Techn.Progress Report 39».-Denver,Colorado,Aug.1971.
5. Clough R.W. The finite element method in plane stress analysis. -Proc.2nd ASCE Conf.Electronic Computation, Pittsburg,Pa.,Sept.1960.
6. Fadeev A.B., Abdyldaev E.K. Elastoplastic analysis of stresses in coal pillars by finite element method. Rock Mech., 1979, 11, pp.243-251.
7. Gudehus G. Some interactions of finite element methods and Geomechanics: A survey.Ch.1. In: Finite elements in Geo-mechanics. Ed.by G.Gudehus. Chichester,John Wiley & Sons,1977,1979, pp.1-32.
8. Heuze F.E., Yufin S.A. Finite element modelling of sequential excavation and rock reinforcement. Proc.lOth AIME Annual Meeting,Denver,Colorado»March 1978.
9. Jenkins W.M. Matrix and digital computer methods in structural analysis. London.McGraw-Hill, 1969.
10. Turner M.J.,Clough R.W., Martin H.C.,Topp L.J. Stiffness and deflection analysis of complex structures. J.Aeronaut. Sci.,1956, vol.23, U 9, pp.805-823.
11. Whiteman J.R. A bibliography for finite elements. N.Y., Academic Press, 1975
12. Zienkiewicz O.C. The finite element method. 3rd edition, London,McGraw-Hill B.Co.(US)Ltd.1977
13. Правила подработки подземных сооружений и природных объектов при добыче угля полдземным способом. Минтопэнерго Украины. Киев. 2004.
14. http://ru.wikipedia.org/wiki/ANSYS
15. http://www.ansys.com/
16. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя .- М.: ДМК Пресс, 2005. – 640с., ил.
17. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса Ansys - М.:ДМК Пресс, 2006.-248с.
18. Басов К.А. Ansys в примерах и задачах - М.:Компьютер Пресс, 2002.-228с.