ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДАТЛИВОЙ ЗАБУТОВКИ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩЕГО ВЫРАБОТКУ МАССИВА


При строительстве шахт в Донбассе основными крепями, применяемыми для выработок околоствольных дворов и квершлагов на глубинах свыше 800 м, являются жесткие из двутавровых балок с бетонными заполнением межрамного пространства и монолитные бетонные. Особенно широкое распространение эти крепи получили при креплении околоствольных дворов. На ряде шахт ими закреплено 80-90 % общей протяженности этого комплекса выработок.
Обследованием капитальных выработок установлено, что из общей длины 50 % крепи без обратного свода и около 24 % с обратным сводом в значительной степени деформированы [1]. Причем, наблюдения за состоянием монолитных бетонных и металлобетонных крепей показывает, что первые трещины в своде выработки появляются уже через 2...3 месяца после их возведения [2]. Если в это время не принимаются меры по сохранению крепи, сетка трещин увеличивается, раскрытие их достигает 6. 8 см, образуются вывалы бетона площадью 0,2.. .2,0 м2 и возникает необходимость выполнения ремонтных работ.
Не деформируются монолитные бетонные и железобетонные крепи только в выработках, заложенных в породах с пределом прочности на одноосное сжатие более 60 МПа, то есть в тех условиях, когда вместо указанных типов могут успешно применяться менее материалоемкие конструкции.
Авторами работы [3] были обследованы около 1153 км горизонтальных капитальных и подготовительных выработок глубоких шах Донбасса и Кузбасса. Анализ полученных результатов показал, что наибольший объем деформированной крепи как в целом по бассейнам, так и по отдельным
115

геологопромышленным районам наблюдается у жестких конструкций (до 45 %).
Столь неудовлетворительные результаты использования жестких крепей для обеспечения устойчивости выработок на больших глубинах можно объяснить не столько недостатками их конструкции, сколько несоответствием ее режима работы характеру деформирования окружающего массива. Активные деформационные процессы в выработке происходят в течение нескольких месяцев после ее проведения. Установленная жесткая крепь практически не может противодействовать смещениям пород, так как силы, действующие на контуре выработки весьма велики и любая технически выполнимая в настоящее время жесткая крепь обязательно будет деформирована. Существенно лучше ведет себя жесткая крепь, установленная с отставанием от забоя, когда реализовалась часть пластических деформаций приконтурного массива (рис. 1).
Применение в ряде случаев для крепления капитальных              выработок,
расположенных на большой глубине или в сложных горногеологических условиях, податливых              крепей,
показывает              значительно
лучшую работоспособность по сравнении с жесткой при меньших              несущей
способности и стоимости. Металлические податливые крепи из спецпрофиля главным              образом
применяются для обеспечения устойчивости              основных
полевых и откаточных штреков. Однако при значительных сроках службы и слабых горных породах металлическая податливая крепь не может препятствовать процессу расслоения и разрыхления пород вокруг выработки, что, в конечном счете, приводит к ее разрушению.
Таким образом, анализ опыта крепления капитальных выработок на глубоких горизонтах ряда угольных бассейнов показал, что обеспечить устойчивость выработок путем применения как жестких, так и податливых конструкций не всегда удается. Нагрузки на жесткие крепи, ввиду малой податливости, зачастую превышаю их несущую способность и они, в большинстве случаев, не обеспечивают необходимый эксплуатационный режим работы капитальной выработки на весь срок службы. Применение крепей, обладающих большой податливостью, в подобных условиях также неэффективно. Податливость крепи часто приводит к образованию больших зон разрушенных пород вокруг выработки, что существенно ухудшает состояние выработок. Однако податливая крепь способствует разгрузке
116

породного массива, позволяет регулировать действующие нагрузки и обеспечивает выравнивание их по периметру выработки.
В связи с этим для обеспечения устойчивости капитальных выработок в условиях больших деформаций окружающих пород наиболее целесообразным является применение ограничено-податливых крепей с высокой несущей способностью.
При этом крепь необходимо устанавливать как можно раньше, чтобы она могла воспринять нагрузки, вызванные деформациями массива горных пород на ранних стадиях и предупредить быстрое формирование зоны разрушенных пород.
Применительно к бетонной крепи капитальных выработок, технологическая схема их установки предполагает возведение непосредственно у забоя выработки временной крепи, чаще всего - металлической податливой из СВП. С определенным отставанием от забоя с помощью опалубки возводится монолитная бетонная крепь, с оставлением временной крепи в толще бетонной. Такая технология позволяет снизить нагрузки на крепь со стороны массива за счет реализации части деформаций на участке выработки с временной крепью, но очень сложна в организационном плане и резко снижает темпы проведения выработки, что является существенным недостатком.
Одним              из решений
рассмотренного              вопроса может
стать применение двухслойной монолитной податливой крепи (рис. ,              которая              объединяет
положительные качества обычной бетонной крепи с требуемой в таких условиях              податливостью
конструкции. В качестве внешнего податливого              слоя              может
использоваться пористый, легко деформирующийся пеноматериал, выполняющий              функции
податливого              (демпферного)
элемента конструкции. Внутренний слой из обычного бетона является несущим. В этом случае нагрузка на крепь, благодаря податливости внешнего слоя, почти равномерно распределяется по периметру, исключая сосредоточенное приложение усилий. При этом форма и размеры сечения выработки в свету остаются неизменными. Несущая способность такой крепи при работе в податливом режиме определяется сопротивлением податливого слоя (10-20 тс/м ), а при работе в жестком - прочностью бетонной оболочки.
При расчете двухслойной крепи и подборе материалов для нее следует учитывать, что прочностные характеристики податливой и несущей оболочек должны находиться в определенном соотношении, обеспечивающем заданный, оптимальный режим работы крепи в целом. Так, если прочность податливого материала будет больше максимально допустимой нагрузки на несущую
117

конструкцию, то последняя разрушится или будет работать в жестком режиме. В то же время прочность демпферного слоя на сжатие не должна быть намного меньше несущей способности бетонной оболочки, так как в этом случае работоспособность несущей части крепи не будет полностью использована. Таким образом, необходимо, чтобы податливый слой деформировался по мере смещения контура пород выработки от нагрузки, не превышающей прочности бетонной конструкции с учетом нарастания прочностных свойств бетона. В процессе работы крепи предел прочности демпферного слоя должен быть только немногим меньше несущей способности бетонной крепи.
Установка монолитной податливой крепи может выполняться у забоя выработки и в один прием, а запас на смещения контура выработки задается параметрами податливого слоя. При этом величина податливости должна учитывать возможные смещения контура на начальном этапе эксплуатации выработки.
В качестве материалов податливого слоя можно использовать вспененные пластмассы и различные виды пеногазобетонов.
Постановка задачи. В работах [4,              5] приведены результаты
лабораторных и стендовых испытаний параметров монолитной податливой крепи, однако в них не исследованы закономерности изменения геомеханических параметров данного способа - влияние жесткостных характеристик крепи на напряженно-деформированное состояние вмещающего породного массива.
Строгий аналитический расчет крепи с учетом отпора пород, осложненный непостоянством нагрузки, весьма трудоемок.
Для практических расчетов такой сложной конструкции, как двухслойная крепь, может быть применен численный. Варьированием характеристик крепи - прочностью и толщиной податливого слоя, могут быть определены оптимальные параметры для конкретных горно-геологических условий.
Исследование параметров способа обеспечения устойчивости капитальных выработок численным методом
Учитывая ряд достоинств при решении нелинейных задач, хорошую разработанность математического аппарата, широкое распространение при решении задач геомеханики, в настоящей работе в качестве численного метода исследований принят метод конечных элементов (МКЭ).
Как известно, порода в ближайшей окрестности выработки находится в разрыхленном состоянии, причем степень разрыхления тем больше, чем меньше расстояние от контура выработки. Конечно, это не означает, что породы вокруг выработки сразу и полностью разрушаются и теряют свою несущую способность, поскольку развитие системы трещин (разрыхление) в нем происходит постепенно. Прочность пород при этом снижается, причем достаточно заметно, а характер их поведения под воздействием действующей на той или иной глубине нагрузки принимает существенно нелинейный характер. Этот процесс, который принято называть «разупрочнение материала», необходимо учитывать при оценке НДС породного массива в окрестности выработки.
С теоретической точки зрения наличие ниспадающего участка диаграммы «напряжения-деформации»              при разупрочнении характеризуется как
неустойчивость материала. При решении численной задачи это означает, что в области массива, материал которого претерпевает разрыхление, имеет место неединственность решения краевой задачи, что приводит к формированию сингулярной (вырожденной) системы уравнений, т.е. диагональные компоненты матрицы жесткости в таких узлах конечных элементов будут отрицательными или нулевыми. При этом становится невозможным продолжение стандартной вычислительной процедуры.
Учесть указанные нелинейные эффекты разрыхления и разупрочнения материала при решении геомеханических задач МКЭ позволяет феноменологический подход, положения которого достаточно полно изложны в работах [6-8].
Подход учитывает обобщенные экспериментальные результаты исследований запредельного деформирования горных пород при их испытаниях на сжатие на машинах «жесткого» типа. Основная идея его состоит в том, чтобы ниспадающий участок полной диаграммы деформирования трактовать не как часть диаграммы, а как некую кривую, которая описывает предельные упругие состояния материала при достигнутых уровнях деформаций. Идеализированная диаграмма одноосного сжатия «а1 ~ ?1», используемая при реализации данного подхода, состоит из двух участков - прямолинейного и ниспадающего. Предполагается, что на ниспадающем участке петли гистерезиса, которые имеют место на диаграммах деформирования при испытаниях образцов на «жестких» прессах, отсутствуют, а разгрузка и повторное нагружение происходят по прямой линии, параллельной начальному упругому участку, что определяет достигнутую остаточную деформацию.

Рассмотрим более подробно схему алгоритма МКЭ для ЭВМ, реализующего данный подход (рис. 3).
При решении численной задачи нагрузка прикладывается пошагово, причем приращение величины нагрузки на каждом шаге равно 1/20 от максимального значения нагрузки для данной задачи. Эта величина инкремента нагружения, как показано в [9], является минимально необходимой для обеспечения сходимости решения.
Пусть на некотором шаге нагружения в некотором /-ом конечном элементе выполняется условие



где- эквивалентные напряжения, достигнутые на n-ом шаге
нагружения;
- предел прочности материала на одноосное сжатие.
Выполнение условия (1) свидетельствует о переходе материала в состояние запредельного деформирования. При этом величине напряжений cre(n) соответствует величина деформаций E(n) .

(2)
alt="" />

Здесь g1 и g3 соответственно означают наибольшее и наименьшее главные значения тензора напряжений g в конечном элементе.
Значениекак следует из (1), не лежит на кривой деформирования
материала, поэтому определяется такая величина напряжений’, которая
лежит на кривой деформирования материала и имеет такую же, как и
величину деформацийт.е., происходит как бы «возврат» на
ниспадающую ветвь полной диаграммы деформирования. При этом считается, что- текущее значение прочности материала для данного
шага нагружения.

При последующем нагружении состояние /-ого конечного элемента проверяется на соответствие условию



где Ge(n+1) - эквивалентные напряжения, достигнутые на (п+1)-ом шаге
нагружения. Поскольку в других элементах при этом может выполняться условие (1), либо они продолжают находится на прямолинейном участке

диаграммы (т.е., деформируются упруго), то можно говорить о том, что каждый элемент на данном шаге нагружения имеет свою величину прочности, в том числе и те, которые испытывают запредельное деформирование. Такая процедура моделирует разупрочнение.
Разрыхляющийся материал характеризуется наличием неупругих деформаций sd. В данном случае, на n-ом шаге, под неупругими деформациями понимается величина
(4)
где E - модуль упругости первого рода (модуль Юнга) материала.
На шаге (п + 1) величина неупругих деформаций будет соответственно равна
(5)
а общая величина неупругих деформаций на шагах п и (п + 1) определится как сумма
Величины неупругих деформаций учитываются при вычислении узловых перемещений на каждом шаге нагружения. Помимо этого, на каждом шаге учитывается изменение формы элемента путем перевычисления текущих значений координат его узлов с учетом найденных значений вектора приращений узловых перемещений. Алгоритм также позволяет учесть увеличение объема, которое наблюдается при развитии разрыхления в запредельном состоянии (более подробно изложено в [9]).
В результате такого подхода решение приводит к значительному увеличению компонент вектора перемещений в окрестности выработки.
Оценка влияния податливой забутовки на напряженное состояние окружающего выработку массива.
Для определения характера влияния податливой забутовки на НДС окружающего выработку массива был проведен численный эксперимент.
Анализу подвергалось напряженное состояние однородного изотропного массива, вмещающего выработку арочной формы с размерами: ширина - 5,2 м, высота - 3,6 м.
Для выполнения вычислений принята расчетная схема, конечноэлементная сетка которой представлена на рис. 4. Аппроксимация области выполнена четырехугольными конечными элементами. Детальная картина разбиения на элементы приконтурной части породного массива и двухслойной бетонной податливой крепи представлена на рис. 5.
Для исключения влияния краевых эффектов размеры исследуемой области массива принимались достаточно большими относительно размеров выработки - 80,0 м х 80,0 м.
Отброшенная часть бесконечного массива заменялась на контуре области равномерно распределенной гидростатической нагрузкой, равной              (у -
средний объемный вес пород вмещающей толщи, МН/м3; Н - глубина расположения выработки, м).

/>
Физико-механические свойства пород массива, бетонной крепи и податливой забутовки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики пород и материала крепи,
принятые при численных экспериментах

Параметр

Вмещающие породы (аргиллит)

Монолитная бетонная крепь

Податливая
забутовка
(пенопласт)

Объемный вес, у, МН/м3

2,50-10-2

2,40-10-2

0,40-10-2

Предел прочности на одноосное сжатие, lt;Гс, МПа

40,00

22,50

10,40

Предел прочности на одноосное растяжение, lt;7t, МПа

4,00

1,80

0,90

Модуль Юнга, Е, МПа

6,75-104

3,30-104

1,20-102

Модуль сдвига, G, МПа

2,74-104

1,13-104

0,62-102

Коэффициент Пуассона, JU

0,23

0,20

0,41

Задача решалась в упругопластической постановке. Эксперимент состоял из двух этапов. На первом этапе рассматривалось напряженное состояние выработки, в предположении, что бетонная крепь установлена непосредственно у забоя без забутовочного податливого слоя.
Картины распределения эквивалентных и касательных напряжений представлены на рис. 6.
На втором этапе решения задачи определялось НДС породного массива при возведении бетонной крепи с податливым слоем различной толщины. Для каждого варианта выполненных расчетов определялись значения и оу на контуре выработки в боках, кровле и почве.

а)              б)
Рис. 6. Картины распределения эквивалентных а) и касательных б)напряжений
(при отсутствии податливой забутовки)
Теоретически, для полного предупреждения деформаций породного контура после проведения выработкинеобходимо, чтобы несущая
способность крепи Р полностью соответствовала величине горного давления, т.е.
Расчет для ситуации с монолитной бетонной крепью без податливого слоя дал следующие результаты. Напряжения на контуре выработки (в кровле) составили ах = оу = 11, 1 МПа при смещениях и = 1,28 см.

Требуемый отпор крепи определялся по формуле
Толщина податливого слоя при прочности, не превышающей несущую способность крепи (для расчетов принималась равной половине прочности бетона), должна компенсировать возможные смещения контура на начальном этапе до момента стабилизации геомеханических процессов ис, вызванных проведением выработки. Для дальнейшего рассмотрения принимаем толщину податливого слоя 5 = 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мм.
Результаты выполненных численных расчетов представлены на рис. 7.
Анализ результатов позволил сделать следующие выводы. Использование податливой забутовки в конструкции бетонной крепи значительно снизило величину давления на крепь, что позволит сохранить устойчивое состояние капитальной выработки. Для рассматриваемых условий эксплуатации выработок (глубина расположения Н = 1000 м, прочность вмещающих пород сгс = 51,0 МПа) применение податливой забутовки толщиной ё = 300 мм снижает величину вертикального давления на крепь в 3,5 раза. При таких же параметрах податливого слоя в боках давление на бетонную крепь снижается в 2,6 раза. Полученные результаты подтверждают предварительные выводы о положительном влиянии податливой забутовки для снижения давления на крепь при допускаемых ограниченных смещениях контура выработки.


Рис. 7. Результаты исследований влияния податливой забутовки на НДС
приконтурного массива


Литература Заславский Ю.З. Замена спецпрофиля двутавром в металлобетонной крепи выработок глубоких шахт нецелесообразна // Шахтное строительство. - 1972. № 8. - С. 8-10. Пиньковский Г.С. Об устойчивости крепи околоствольных выработок шахт Западного Донбасса // Шахтное строительство. - 1972. - № 8. - С. 8-10. Глушко В.Т., Цай Т.Н., Ваганов И.И. Охрана выработок глубоких шахт. - М.: Недра, 1975. - 200 с. Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения / Ю.З. Заславский, В.П. Киндур, Е.А. Лопухин и др. - Донецк: Донбасс, 1973. - 184 с. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений. - М.: Недра, 1979. - 325 с. Гапеев С.Н. Исследование процесса потери упругопластической
устойчивости массива в окрестности одиночной выработки численными методами // Изв. Тульского государственного университета. Серия:              «Геомеханика.
Механика подземных сооружений».- Тула: Изд-во ТГУ, 2003.- Вып. 1.-С.65-69. Шашенко              А.Н.              Янко В.И.,              Солодянкин А.В. Численное
моделирование напряженно-деформированного состояния разупрочняющегося массива в окрестности подземной выработки // Геотехническая механика. - Днепропетровск - Донецк: ООО «Норд Компьютер». - 2002. - № 40. - С. 13-17. Шашенко              А.Н.,              Янко В.И.,              Солодянкин              А.В. Определение
напряженно-деформированного состояния массива с учетом эффекта разупрочнения // Известия Тульского государственного университета. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». - Тула: ИПП «Гриф и К». - 2003. - Вып. 1. - С. 327-332. Гапеев              С.Н.              Закономерности потери упругопластической
устойчивости сложноструктурного массива в окрестности одиночной
выработки: Дис. ... канд. техн. наук: 05.15.09. - Днепропетровск, 2005. - 188 с. Шашенко А.Н., Сургай Н.С., Парчевский Л.Я. Методы теории вероятностей в геомеханике. - К., Техшка. - 1994. - 216 с.
УДК 622.848-622.272.5

<< | >>
Источник: Неизвестный. Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит) - Донецк. 2009

Еще по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДАТЛИВОЙ ЗАБУТОВКИ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩЕГО ВЫРАБОТКУ МАССИВА:

  1. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ
  2. Глава третья. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА НА АДГЕЗИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ ПЛЕНОК
  3. Влияние эмоциональных состояний на деятельность человека
  4. Глава 4. Влияние отраслей народного хозяйства на состояние окружающей среды
  5. 1.4. Оценка пожарной обстановки в лесных массивах
  6. РОСТ МАССИВА НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ КАК ПРОБЛЕМА ФИЛОСОФИИ НАУКИ Денис Качеев
  7. § 7. Выработка новой модели судебного устройства. Подготовка закона от 19 декабря 1718 г. об укреплении инстанционности в судопроизводстве
  8. Классификация ресурсов является одной из основных методологических задач наряду с выработкой общейконцепции и концептуальных подходов изыскания и мобилизации экономических ресурсов для реализацииструктурообразующих программ развития региона.
  9. ГЛАВА XXIX ПОРТ-АРТУР КАК КРЕПОСТЬ; УСЛОВИЯ ЕГО ВОЗВЕДЕНИЯ И СОСТОЯНИЕ КРЕПОСТНЫХ ВЕРКОВ К НАЧАЛУ ОСАДЫ В 1904 г. ВЛИЯНИЕ ДАННЫХ БОРЬБЫ ЗА ПОРТ-АРТУР НА ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ КРЕПОСТНОГО ДЕЛА
  10. Численность человечества
  11. 7.3. КОЛЕБАНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ
  12. Параметры системы
  13. Тема  7 ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ