25197 (686758), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

при общей жёсткости от 2,8 до 107 мг.экв/л.

По химическому составу шахтные воды преимущественно хлоридно-сульфатно-натриевые, обладают повышенной минерализацией (от 3 до 11,2 г/л.), общей жёсткости до 55,4 мг.экв/л. и агрессивны по отношению к несульфатостойкими портландцементу и железу.(Средний приток воды 20 м^/час.)

Основной приток воды в шахту происходит из выработанного пространства смежных шахт.

Фактический водоприток в шахту составил 365 м³/ч., из них 50 м³/ч. по стволам, 315 м^{^}/ч. по горным выработкам. Ожидаемый приток воды в шахту составит: нормальный- 380 м²/ч., максимальный с учётом возможного прорыва с погашенных выработок смежных шахт- 580 м²/ч.

1.2.6 Горно-геологические условия

Горно-геологические условия разработки пластов сложные. Шахта относится к сверхкатегорным по газу и опасной по пыли. На шахте производится дегазация пластов вертикальными скважинами с поверхности и наклонными скважинами с вентиляционного штрека на спутники пластов. Ведение горных работ затрудняется слабой устойчивостью непосредственной кровли и почвы угольных пластов, а так же развитой мелко амплитудной нарушенностью. Маломощные прослои углистых аргиллитов и высокозольных углей, залегающие непосредственно на угольных пластах, образуют «ложную» кровлю, которая обрушается при выемки угля и засоряетего. Практикой эксплуатации принято оставление пачки угля в кровле для поддержания «ложной» кровли. Такая же пачка угля оставляется у почвы пласта, если она сложена аргиллитами, склонными к пучению.

Управление кровлей - полное обрушение.

Физико- механические свойства пород. Вмещающие угольные пласты породы карагандинской свиты разнообразны. Литологический состав пород от крупнозернистых песчаников до тонкоотмученных пород- алевролитов и аргиллитов. Основную кровлю и почву угольных пластов слагают, как правило песчаники, которые сменяются алевролитами.

Каменноугольные отложения на всей площади покрыты мезокайнозойскими образованиями, представленными юрскими осадочными породами, пестро цветными плотными глинами неогенами и четвертичными делювиальными песками.

Наибольшей прочностью обладают песчаники, наименьшей- аргиллиты; переслаивание песчано-глинистых пород и алевролиты имеют промежуточные значения.

Песчаники по гранулометрическому составу разделяются на тонко, мелко и среднезернистые. Прочность песчаников находится в пределах 400-900 кг/см³. Переслаивание песчано-глинистых пород характеризуется прочностью 400-600 кг/см³.

Алевролиты характеризуются однообразным минералогическим составом обломочного материала. Прочность алевролитов колеблется в широких пределах от 300 до 600 кг/см³, реже менее 200 кг/см³ и более 600 кг/ см³.

Непосредственно налегающие на пласты аргиллиты мощностью до 1 м., как правило, является неустойчивыми, они разбиты густой сетью трещин эндо- и экзокливажа, насыщены отпечатками флоры по наслоению, легко расслаиваются на тонкие плиты и прочность их редко превышает 150 кг/см . Остальные аргиллиты непосредственной кровли и почвы являются плотными, менее трещиноватыми и характеризуются прочностью от 150 до 300 кг/см .

Временное сопротивление растяжению пород уменьшается от песчаников (40-70 кг/см³) к аргиллитам (13-40 кг/см³). В таком же порядке изменяются плотности, как действительная, так и кажущаяся, от песчаников (соответственно 2,75 и 2,5 г/см³) к аргиллитам (2,68 и 2,45 г/см³).

Влажность и пористость пород возрастает от песчаников (соответственно 1,9-2,6 и 6,5-9%) к аргиллитам (2,6-4,9 и 10-13%).

Легкая размокаемость аргиллитов в почве угольных пластов обуславливается их склонность к пучению. Величина пучения в сухих выработках достигает 0,2 м. в год. Существенное влияние на интенсивность пучения оказывает влажность. При наличие водопритоков интенсивность пучения подошвы выработки возрастает в несколько раз.

Газоностность. По химическому составу газы угольных пластов принято подразделять на 4 группы:

1) азотно-углекислые или воздушнохимические, где содержание СО2 превышает 20%;

2) азотные или воздушные, содержание более 80%;

3) азотно-метановые или воздушнометаморфические, содержание метана менее 80%;

4) метановые или метаноморфические, содержащие более 80% метана.

Для большей части Карагандинского бассейна характерно наличие всех 4 зон.

Максимальная газоностность по группе пластов К₁₂- К₆ достигает 20 м³/т, К₄-К₁-15-20 м³/т. Газоностность вмещающих пород и породных прослоев имеет значение газоностности равные 2-3 м³/т.

Выбросоопасность угольных пластов. Пласт к ₁₂, следует относить к опасным по выбросам с глубины 400-420 м. от поверхности. Пласт К7- относится с глубины 600-650 м. от поверхности к угрожающим по выбросам. Пласты К₃, К₆, К₁₃, К₁₄ и К₁₈- относятся к неопасным до глубины 500-550 м. от поверхности. Пласты К₁, К₂, К₃ и К₁₀ на глубине 600-800 м. относятся к угрожающим по выбросам.

Склонность углей к самовозгоранию определяется по содержанию фюзенита и подразделяются на 3 группы:

I группа - склонные к самовозгоранию при Р>23%

II группа - малосклонные к самовозгоранию при 15<Р<23%

III группа - несклонные к самовозгоранию при Р<15%

Пласты К₂, К₇, К₁₀, К₁₂, К₁₃, К₁₄, К₁₈ относятся к I группе; К₄, К₆ - ко II группе; К₁ и К₃ - к III группе.

Пожароопасность углей. Пожароопасность угольных пластов в пределах поля шахты зависит не только от их склонности к самовозгоранию, но от ряда других факторов и, в первую очередь, от мощности пласта и потерь угля, которые остаются в завале.

Пласт К₁ - малоопасный.

Пласты К₂, К₇, К₁₀, К₁₃, К₁₄, К₁₈ - среднеопасные.

Пласт К₁₂ - опасный.

Степень взрывчатости угольной пыли. Пласты К₁, К₂, К₁₀, К₁₃, К₁₄ относятся к маловзрывчатым и имеют норму осланцевания до 50%, пласт К₁₂ относится к взрывчатой категории и имеет норму до 60%.

Температурный режим. При работе действующих шахт в Карагандинском бассейне температура шахтной атмосферы и горных пород, не создавала затруднений для эксплуатации. Температура горных пород у нижней технической границы составит 17,9 - 19 С.

Силикозоопасность. Все вмещающие породы Карагандинской свиты следует отнести к силикозоопасным.

Раздел II. Определение податливости ожидаемых нагрузок на крепь подготовительных и капитальных горных выработок

2.1 Расчет напряженно-деформированного состояния вязко-упруго-пластического массива горных пород вокруг протяженной горизонтальной выработки

Изучение вопросов распределения напряжений вокруг выработок является одной из основных и важнейших задач механики горных пород, так как они непосредственно связаны с прочностью (устойчивостью) горных выработок и с решением ряда практических инженерных задач в области их крепления.

При решении задач по определению напряжений вокруг выработок часто удобнее пользоваться полярными координатами. Если считать, что массив находится в сжатом состоянии и сжимающие напряжения считаются положительными, то определяющие компоненты напряжении вокруг выработки круглой формы будут иметь следующий вид 1,2:

; ; (1)

,

где и ; - коэффициент бокового распора (давления), - радиус выработки в проходке, м; Н – глубина от поверхности; - угол между осью Х и направлением радиального напряжения; - средний вес пород покрывающей толщи; , , - соответственно радиальные, тангенциальные и касательные напряжения.

= = 0,563

= 0,219 = 0,781

Если напряженное состояние ненарушенного массива гидростатическое, т.е. , то на контуре круглой выработки окружающее напряжение будет постоянным и равным:

; (2)

Данные расчетов заносим в таблицу 1

Таблица 1

r/r0	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2	2.2	2.4	2.6	2.8	3
r02/r2	1	0,69	0,51	0,39	0,3	0,25	0,2	0,173	0,147	0,127	0,111
r04/r4	1	0,48	0,26	0,15	0,095	0,062	0,04	0,03	0,021	0,016	0,012
1-r02/r2	0	0,31	0,49	0,61	0,7	0,75	0,8	0,827	0,853	0,873	0,889
1+r02/r2	2	1,69	1,51	1,39	1,3	1,25	1,2	1,173	1,15	1,13	1,11
	0	6,12	9,151	10,852	11,898	12,586	13,063	13,407	13,664	13,861	14,016
	9,739	11,271	12,854	14,147	15,154	15,934	16,544	17,026	17,413	17,726	17,983
	0	3,104	4,084	4,360	4,387	4,324	4,141	4,053	3,974	3,974	3,905

Смещения контура выработки (при ):

, (4)

где Е – модуль упругости; - коэффициент Пуассона.

Данные расчетов заносим в таблицу 2

Таблица 2

В массиве в окрестности выработки возникает область деформации растяжения :

, (6)

Данные расчетов заносим в таблицу 3

Таблица 3

	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4	2,6	2,8	3,0
	0	6,12	9,151	10,852	11,898	12,586	13,063	13,407	13,664	13,861	14,016
	9,739	11,271	12,854	14,147	15,154	15,934	16,544	17,026	17,413	17,726	17,983
3 -	-9,739	7,088	14,598	18,411	20,542	21,825	22,646	23,196	23,580	23,857	24,063
	-0,00064	0,00003	0,00022	0,00034	0,00039	0,00042	0,00044	0,00044	0,00045	0,00045	0,00045

Координату границы зоны растяжения получаем из условия . Подставляя значения напряжений, получаем окончательно следующее решение уравнения (6):

при , :

, (7)

где ; ; ;

при и :

, (8)

Конфигурацию зоны деформации растяжения можно установить, определяя координаты для лучей 0,30⁰,60⁰ и 90⁰.

Таблица 4

Смещения контура выработки со временем определяются с помощью метода переменных модулей, сущность которого заключается в замене упругих констант в решении упругой задачи переменными модулями. При наследственной ползучести с ядром типа Абеля переменные модули имеют вид:

, , (9)

= 0,31*10⁴ МПа;

= 0,466;

= 1,9

Вертикальные смещения кровли выработки:

(10)

= 0,012429 м.

1. Определение податливости крепи

Податливость крепи выработки должна выбираться с учетом возможных смещений контура, которые развиваются вследствие деформации ползучести и разрыхления пород.

В последнем случае вследствие разрыхления пород происходят дополнительные смещения контура из-за увеличения объема при растрескивании. Величина смещения определяется из выражения:

, (11)

где -коэффициент разрыхления; - радиус пластичности.

, (12)

где ,

- предел прочности на одноосное сжатие; - угол внутреннего трения породы; - сцепление.

= = 1,37;

= = 5,79;

= 3,3 м;

= 0,011 м,

Уменьшение высоты выработки вследствие ползучести определяется выражением (10), а вследствие разрыхления - (11).

Таким образом податливость крепи:

, (13)

2,5 м.

2.3 Расчет нагрузки на крепь

В результате систематизации данных о взаимодействии крепи и массива горных пород разработаны следующие основные расчетные схемы режимов ее работы:

1. Режим заданной нагрузки;

2. Режим заданной деформации;

3. Режим взаимовлияющей деформации;

4. Комбинированный режим.

Тот или иной режим работы крепи обусловлен конкретными горнотехническими условиями. Если крепь работает в режиме заданной нагрузки, то давление на нее определяется весом отделившихся от массива объемов породы.

Горные породы в окрестности выработки могут быть разрушены в пределах зоны деформации растяжения или пластичности.

Среднее значение координаты границы зоны растяжения:

, (14)

где - координаты границы зоны растяжения для лучей 0,30⁰,60⁰ и 90⁰.

Среднее значение радиуса пластической области определяется выражением (12). Расчет следует вести по большему из значений координат (14) или (12).

= 5,83 м;

При расстоянии между рамами крепи L давление Q на одну раму составит:

, (15)

где S – площадь области разрушения пород в кровле выработки.

В расчете можно принять ,

= 5,48 м²;

где - среднее значение из (14) или из (12).

= 2,74 Па;

, (16)

где Р- неизвестное давление не крепь.

,

= 1,02 мПа;

Радиальные смещения на контуре в данном случае определяются выражением:

, (17)

т.е. зависят от упругих ( - модуль сдвига) и прочностных ( ) параметров, глубин расположения выработки и величины пластической зоны:

,

= 0,32*10⁴;

= 62,14*10^-4 = 0,006214 м;

Исключая из этих уравнений , можно получить зависимость между неизвестной реакцией крепи Р- и ее смещением U. Давление на крепь вычисляется из условия совместимости перемещений контура выработки и крепи. Так, например если известны механические характеристики крепи (нарастающего или постоянного сопротивления), то рассматривая их совместно с кривой поведения массива, в точке пересечения можно определить оптимальные параметры работы крепи (Р и U).

Комбинированный режим нагружения возникает тогда, когда вокруг выработки могут образоваться зоны, в пределах которых породы отделены от массива, разбиты крупными и микротрещинами. Далее массив деформирован упруго. Отделившиеся от массива породы создают давление на крепь как заданная нагрузка, зоны растрескивания - как взаимовлияющая деформация.

Раздел III. Управление состоянием массива горных пород вокруг очистного забоя

3.1 Напряженно-деформированное состояние угольного пласта и вмещающих пород

Практикой эксплуатации очистных забоев, особенно с механизированными крепями в условиях высоких нагрузок и скоростей подвигания, выявлено, что геологические и горнотехнические параметры в разной степени влияют на состояние поддерживаемого пространства, условия безопасности, на конечный результат всей работы очистных забоев.

Значительные трудности возникают при отработке пластов в сложных горно-геологических условиях, например, при труднообрушаемой кровли. Повышения эффективности работы в этих условиях во многом зависит, как показывает опыт, от способа управления состоянием пород кровли. Положительный эффект создает, в частности, формирование напряжений в массиве, обеспечивающих разрушение кровли за поддерживаемым рабочим пространством лавы.

Постановка и решение задач механики горных пород для очистных забоев отличается значительной сложностью. По сравнению с капитальными и подготовительными выработками, здесь влияние структуры массива (неоднородность, условия на контактах и т.п.) проявляется в большей степени, больше скорость? и абсолютные значения смещении горных пород.

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние массива в окрестности очистного забоя.

Вертикальный разрез массива горных пород с очистной выработкой на большом расстоянии от вентиляционного и откаточного штреков представлен как невесомая плоскость с вырезом, соответствующим форме профиля поперечного сечения очистного забоя и выработанного пространства. Деформацией вдоль забоя можно пренебречь и задачу свести к плоской.

Закономерности напряженно-деформированного состояния в окрестности очистного забоя определяются путем математического моделирования (вычислительного эксперимента) геомеханической ситуации (обстановки). Решение задачи проводится методом конечных элементов 3,4,7.

Математическая модель системы (расчетная схема, рис. 2.1) представляет собой сечение исследуемой области массива с очистным забоем. В забое установлена механизированная крепь поддерживающего типа. На почве пласта - обрушенные породы, которые взаимодействуют с кровлей на некотором удалении от забоя. Конфигурация кровли обрушенного пространства должна выбираться по данным фактических наблюдений.

Граничные условия задачи формулируются как сжимающие напряжения на бесконечности:

, , (2.1)

= 14,21;

= 9,947;

Рисунок 1. Расчетная схема к задаче определения НДС вокруг очистного забоя: 1 – породы почвы, 2 – угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы основной кровли, 5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.

Конечно-элементная аппроксимация области (с треугольными элементами) показана на рис. 2.2. Сетка элементов неравномерная.

Рисунок 2. Сетка конечных элементов: 1 – породы почвы, 2 – угольный пласт, 3 – породы непосредственной кровли, 4 – породы основной кровли, 5 – обрушенные породы, 6 – механизированная крепь.

Вблизи забоя (у мест большой концентрации напряжений) она более частая, с удалением от забоя (и уменьшением концентрации напряжений) размеры элементов увеличивается.

Программой предусматривается разбиение расчетной области на 1100 элементов при 600 узлах. Область на контуре нагружена вертикальными напряжениями , боковыми напряжениями .

При расчете для каждого элемента определяются горизонтальные и вертикальные перемещения. Расчеты производятся как в упругой постановке , так и с учетом вязко-упругого деформирования и разрушения элементов массива за период полного технологического цикла, т.е. выемка очередной стружки угля и разгрузка крепи для передвижки.

По результатам расчетов строятся диаграммы напряжений и перемещений в массиве в окрестности механизированного комплекса (забоя). Методика расчета зон предельно-напряженного состояния массива горных пород очистного забоя более подробно описывается в работах 3,4.

3.2 Расчет параметров управления труднообрушающимися кровлями в очистных выработках

К труднообрушающимся относятся кровли, осадки которых в призабойном пространстве происходят при разрушении по линии забоя зависающих на значительных площадях прочих слоев пород основной кровли.

При труднообрушающихся кровлях наблюдается существенное отличие в формировании проявлений горного давления и взаимодействии крепей с вмещающими породами по сравнению с обычными кровлями.

В периоды между осадками состояния кровли и угольного пласта характеризуется повышенной напряженностью, связанной с зависанием труднообрушающихся пород. В зоне опорного давления максимальные вертикальные сжимающие напряжения достигают (3,03,5) перед первой осадкой и (2,02,5) перед последующими осадками кровли. Над призабойным пространством имеют место значительные горизонтальные растягивающие напряжения.

При достижений предельных размеров зависаний труднообрушающихся слоев пород происходит осадка кровли, что приводит к снижению напряжений в зоне опорного давления и над призабойным пространством. Резко повышаются величина и скорость смещений кровли, а также нагрузка на крепь, особенно со стороны выработонного пространства.

Труднообрушающимися кровлями можно управлять различными способами: принудительным первичным обрушением, передовым торпедированием, гидрообработкой кровли 8,2,9, а также путем повышения сопротивления кровли.

3.2.1 Расчет деформаций основной кровли

Деформация основной и непосредственной кровли характеризуются двумя режимами: начального (от проведения разрезной печи до первого обрушения) и установившегося движения (периодическое обрушение по мере подвигания очистного забоя).

Для описания начального движения основной кровли можно воспользоваться моделью прямоугольной плиты, защемленной со всех сторон и лежащей на упругом основании 6. Во втором случае можно рассмотреть плиту на упругом основании, защемленную с трех сторон и свободную со стороны выработанного пространства. Нагрузка на плиту зависит от конкретных горно-геологических условий. Это может быть вес (или часть веса) покрывающих пород.

На породы кровли действует также и боковое сжатие. Поэтому рассматривается продольно-поперечный изгиб пластинки. для простоты можно пренебречь влиянием упругого основания.

Плоской пластинкой (или тонкой плитой) называется упругое тело призматической или цилиндрической формы с малой, по сравнению с размерами основания, высотой.

Пределы применимости теории:

, , (2.2)

где h- толщина пластинки; а- наименьший размер основания; W_max- максимальный прогиб.

3.2.2 Расчет напряженно-деформированного состояния кровли до первой осадки труднообрушающихся пород

Аналитические исследования показали, что при отходе очистного забоя от разрезной выработки в кровле над выработанным пространством образуется зона растягивающих напряжений σ_у в форме свода (рис. 2.3).

Напряжения внутри зоны возрастает к ее центру. Максимальные значения напряжений возникают над серединой выработанного пространства на расстоянии, равном половине высоты зоны растяжений h_p.

На величины σ_у и h_p в основном влияют глубина разработки „Н” и расстояние от целика до очистного забоя L_п.

Напряжения σ_у над серединой выработанного пространства рассчитываются по формуле:

, (2.3)

где γ - удельный вес пород, тс/м³.

Высота зоны растяжений h_p определяется из уравнения:

, (2.4)

Кровля в выработанном пространстве расслаивается по межслоевым контактам по напластаванию при условии:

, (2.5)

где - предел прочности межслоевых контактов на отрыв, тс/м².

Предельные размеры пролетов, при которых произойдет первое обрушение труднообрушающихся пород кровли, рассчитываются с помощью уравнений (табл. 2), полученных путем статистической обработки экспериментальных данных о первом шаге обрушения L₀^' – в зависимости от влияющих факторов: мощности h₀ и коэффициента крепости ƒ₀ – пород основной кровли, мощности пласта m, мощности h_н и коэффициента крепости ƒ_н непосредственной кровли, глубины разработки Н, длины лавы L_л.

Таблица 2.3.4

Породы кровли: основной непосредственной	Уравнения регрессии	Коэффициент множественной корреляции
П есчаник Аргиллит Алевролит	L0'=25,38+0,421h0+0,891ƒ0–2,352m +0,915hн+0,496ƒн –0,003Н–0,006 Lл	0,774

L₀^'=25,38+0,421·4+0,891·3,9–2,352·3,3 +0,915·19+0,496·3–0,003·490–0,006 ·150 = 59,54 м;

Определение равнодействующей крепи и координаты ее приложения

Реакция крепи на контакте перекрытия с кровлей имеет вертикальный характер, но для расчетов можно принимать осредненные значения. Наиболее характерен следующий вариант:

I-вариант – механизированные крепи с неравномерным распределением сопротивления по перекрытию;

Выражения, определяющие взаимосвязь сопротивления крепи q, распределенного по контакту перекрытия с кровлей, и заданного сопротивления крепи по рядам, получены путем решения системы уравнений равновесия «крепь-кровля».

Для I-варианта эти выражения имеют вид:

на призабойном конце перекрытия:

; (2.6)

со стороны выработанного пространства:

, (2.7)

где R₁, R₂ – сопротивление крепи по первому и второму рядам от забоя, тс;

а₁, а₂ – расстояние от призабойного конца перекрытия до первого и второго рядов крепи, м;

в – длина перекрытия, м.

= 0,166 мПа;

= -0,001 мПа,

При креплении механизированной крепью равнодействующая Q и ее положение С относительно призабойного конца перекрытий определяется следующим образом:

;

, (2.9)

= 1,291;

= 1,35 м.

Список использованной литературы

1. Сагинов А.С., Гращенков Н.Ф. и др. Управление состоянием массива горных пород.- Караганда. - 1986. – 80с.

2. Брагин Е.П., Векслер Ю.А. и др. Методика расчета зон предельно-напряженного состояния массива горных пород вокруг очистного забоя и уточнение силовых параметров механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий методом конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. – Караганда: КНИУИ, 1987.-53с.

3. Комиссаров С.Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. – М.: Недра, 1983.- 237с.

4. Борисов А.А. Механика горных пород и процессов. – М.: Недра, 1980.– 360с.

5. Вайнберг А.А., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. – Киев: Будевельник, 1970

6. Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. – Алма-Ата: Наука, 1975.

7. Временная инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения труднообрушаемой кровли на выемочных участках. Л. ВНИМИ, 1976, 143с.

8. Коровкин Ю.А., Микляев Е.И., Литвин Ю.А. О создании комплексов оборудования для пластов с труднообрушаемой кровлей. Уголь, 1979, №3.

9. Журило А.А. Методика выбора и расчета параметров управления труднообрушающимися кровлями в очистных выработках. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1980. – 50с.

Характеристики

Список файлов курсовой работы