Влияние угла падения пласта и глубины анкерования боковых пород на устойчивость горной выработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние угла падения пласта и глубины анкерования боковых пород на устойчивость горной выработки

В.Ф. Демин, В.С. Портнов, С.К. Тутанов, В.В. Журов, В.В. Демин

Опыт применения профилей большего типоразмера и увеличения плотности установки крепи показывает, что при значительном увеличении металлоемкости выработок и соответственно трудоемкости возведения рамной крепи общий эффект получается незначительным. Практика ее эксплуатации выявила ряд серьезных недостатков, которые приводят к значительным деформациям выработок: выполаживанию верхняков, выдавливанию в полость сечения боковых ножек, выходу из строя замковых соединений, незначительной реализации податливости крепи. При существенном повышении несущей способности крепи в жестком режиме работы не происходит значительного ее повышения в податливом режиме.

В этой связи исследование особенностей деформирования породного массива вокруг подготовительных выработок с анкерным креплением при различных углах падения пласта и глубине анкерования, обоснование параметров анкерной крепи и определение рациональной области ее использования являются актуальной задачей горного производства.

В представленных исследованиях аналитическое моделирование выполняется с применением численного метода конечных элементов. Моделирование выполнено для условий пластовой конвейерной выработки пласта к10 шахты «Абайская» УД АО «Арселор Миттал Темиртау» при глубине разработки 400 м и мощности пласта 3,8 м. Рассматривается напряженно-деформированное состояние массива вокруг действующей выемочной выработки. Задача сводится к плоской. Решение осуществляется в упругой постановке вследствие сравнительно непродолжительного времени деформирования горных пород в окрестности подготовительного забоя при его подвигании. В отличие от известных подходов конкретизируются размеры зон распространения деформаций с анализом их параметров.

Исследования, произведенные на математических моделях с использованием программного комплекса ANSYS, позволяют установить влияние горно-геологических факторов на условия эксплуатации крепей горных выработок.

В программном комплексе ANSYS была построена модель массива вмещающих горных пород, соответствующая условиям залегания пласта к10.

Было исследовано влияние формы сечения горной выработки и угла падения угольного пласта на величину возникающих максимальных напряжений в массиве горных пород при креплении выработки анкерной крепью.

При сводчатой (арочной) форме поперечного сечения выемочной выработки нормальные напряжения (б) растут при увеличении угла падения пласта (б) с 10^о до 40^о по показательной функции диапазоне от 10 до 13,5 МПа (рис.б,а). Продольные напряжения (5_х) увеличиваются при от 10^о до 20^о в диапазоне от 63,2 до 64,1 МПа, а затем влияние угла падения не проявляется (рис. 1,б). Касательные напряжения (t_xy) пропорционально снижаются в диапазоне углов падения пласта = 10^о-30^о с 50 до 33 МПа, а при = 30^о-40^о растут с 33 до 37 МПа (рис. 1,в).

Рис. 1. Влияние вида формы выработки и угла падения пласта на величину максимальных нормальных (а); продольных (б); касательных (в) напряжений в массиве пород при анкерном креплении выработки:1 - арочная; 2 - полигональная; 3 - прямоугольная

напряжение пласт крепь выработка

Причем большие напряжения возникают по восстанию угольного пласта. Распределение напряжений в зонах вмещающих боковых пород, окружающих горную выработку, представлены на рис. 2,а и 2,б.

Рис. 2. Распределение максимальных напряжений в боковых породах, окружающих выработку с формой: а, в, ж - характер изменения; б, г, з - эпюра (при = 10^о) продольных напряжений

Для прямоугольной формы поперечного сечения выемочной выработки максимальные нормальные напряжения б_y растут при б = 10^о-20^о с 1,2 до 3,5 МПа, а затем незначительно падают при = 20^о-40^о с 3,5 до 3,0 МПа. Продольные напряжения (б_х) увеличиваются с 49 до 53,4 МПа при = 10^о-30^о, а затем резко снижаются до 52 МПа при = 40^о. Касательные напряжения (t_xy) растут по неярко выраженной показательной функции с 18 до 38 МПа при изменении = 10^о-40^о. Значения напряжений в зонах, окружающих горную выработку, представлены на рис. 2,в и 2,г.

При полигональной форме поперечного сечения горной выработки тенденции изменения напряженно-деформированного состояния примерно повторяют характер изменения зависимостей при прямоугольной форме сечения горной выработки. Лишь напряжения выше по величине в 1,5 раза, у, наоборот, ниже на 2-3 МПа, а й_xy больше в 1,5-2,0 раза. Изменение и распределение напряжений в зонах, окружающих горную выработку, представлены на рис. 2, ж и 2, з.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о предпочтительности применения для условий разработки пласта к10 шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» прямоугольной формы сечения выемочных выработок с анкерным креплением вмещающих пород.

Проведены также исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине их анкерирования. Исследования выполнены на примере выработки трапециевидной формы поперечного сечения при следующих параметрах расчетной схемы: угол падения пласта 15^о, его мощность 3,8 м; глубина разработки 400 м; сечение выработки 15,5 м²; диаметр анкера 0,022 м.

Исследован характер изменения и распределения напряжений в кровле, почве и боках выработки. При величине слоя легкообрушающихся пород от 1,03 до 6,0 м и длине анкера от 2,4 до 5,0 м происходят следующие изменения напряжений вокруг выработки. Максимальные и минимальные нормальные напряжения с ростом длины анкера (от 1,5 до 6 м) и увеличением мощности слоя легкообрушающихся пород (например, сложенного аргиллитом) от 1 до 6 м растут в пропорциональной линейной зависимости (рис. 3,а).

Изменения напряжений в рассматриваемом диапазоне в продольной плоскости с ростом длины анкера и увеличением толщины слоя легкообрушающихся пород имеет следующие тенденции: растягивающие - уменьшаются, а сжимающие - имеют скачок при длине анкера 3,0-3,5 м и в целом находятся в узком диапазоне 42-48 МПа (рис. 3,б).

Закономерности изменения касательных напряжений представлены на рис. 3,в и имеют тенденцию роста при толщине слоя аргиллита 5 м, а при толщине слоя аргиллита 1,0-3,5 м увеличиваются при изменении длины анкера от 1,5 до 3,0 (3,5) м, а затем снижаются. При этом увеличение диаметра шпуров (до 0,05 м) негативно сказывается на возникающих напряжениях и приводит к их двукратному росту на всем диапазоне.

Рис. 3. Изменение нормальных (а), поперечных (б) и касательных (г) напряжений в приконтурных породах подготовительной выработки от длины анкерирования и мощности слоя пород

Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине анкерирования позволили установить следующий характер поведения боковых пород по зонам их расположения (рис. 4,а-б).

Исследовано влияние управляемости пород кровли (с увеличением слоя легкообрушающего аргиллита) при трапециевидной форме поперечного сечения выработки. Параметры расчетной схемы: угол падения пласта 15^о, его мощность 3.8 м; глубина разработки 400 м; сечение выработки 15.5 м²; длина анкера 3 м, при его диаметре 0.05 м.

Рис. 4. Эпюра распределение (а) и зависимость нормальных напряжений (б) во вмещающих породах от глубины их анкерирования

На рис. 5 показано распределение продольных напряжений вокруг выработки трапециевидного сечения (в качестве примера, при слое аргиллита один метр) по длине шпуров.

Рис. 5. Распределение продольных напряжений вокруг выработки трапециевидного сечения (при слое аргиллита 1 м) по длине шпуров

Значительным напряжениям подвержена только область пород крайних в кровле шпуров, что требует увеличения их плотности в этой зоне.

На рис. 6 представлено распределение нормальных и продольных напряжений при слое аргиллита 7,5 м по контуру горной выработки.

Рис. 6. Распределение нормальных (а) и продольных (б) напряжений при слое аргиллита 7,5 м:

Анализ распределения напряжений показывает, что вокруг выработки возникают зоны неустойчивых горных пород. В большей степени это касается кровли и почвы выработки, также ее боков в области нижней части боковых сторон контура выработки. Максимальное значение нормальных напряжений возникает в анкере, расположенном на кровле выработки в правом крайнем анкере в месте его закрепления. Максимальное значение продольного напряжения возникает в анкере, расположенном на правой боковой поверхности выработки (первый снизу).

Выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля породных массивов (смещений, напряжений, зон трещинообразования) в зависимости от основных горно-геологических и горно-технических факторов позволят в конкретных условиях эксплуатации устанавливать оптимальные параметры крепления для повышения устойчивости подготовительных горных выработок. Это позволит разрабатывать новые и совершенствовать существующие технологии эффективного и безопасного крепления приконтурных пород при проведении горных выработок на пологих и наклонных угольных пластах, адаптивные к изменяющимся горно-геологическим и горно-техническим условиям эксплуатации.

Размещено на Allbest.ru