Управление состоянием массива (стр. 7 из 8)
, (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 (3,0¸3,5)
перед первой осадкой и (2,0¸2,5) 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.