Implementing FLAC3D model for simulating deformation mechanism of steel frame support set by actual profile

Abstract

Purpose. The problem of simulating steel frame irreversible deformation and displacement remains unsolved. The purpose of this research was to develop a new approach to simulation of frame yield support. Methods. We used combination of different methods, namely FLAC3D model, benchmark tests and materialistic frames profile in the form of primitive proxies in place of standard structural elements, for instance, beams, which are actually mathematical lines that have abstract geometrical characteristics of the frame profile. Findings. The research focused on the interaction of steel frame supports and the surrounding rocks during tail entry maintenance behind the longwall face to provide direct flow of air, which reduces methane explosion hazard. Originality. The proposed profile model can be helpful as a practical tool that can assist in frame support im-provement during complex interaction of rock massif with frame support in difficult geological and geomechanical conditions. Practical implications. Owing to this approach, we were able to obtain practically all patterns of the actual frame profile behavior: frame turn and displacement, plastic hinge in coffering, longitudinal twisting and splitting, lateral bending, breakage and sliding in yield joints. Surprisingly, frame support behavior in computer model was extraordi-nary realistic despite primitive approximation of the frame profile, which demonstrates originality of the new ap-proach.

Мета. Проблема комп’ютерного моделювання незворотних деформацій і переміщень стального рамного крі-плення залишається невирішеною. Метою цього дослідження була розробка нового підходу до комп’ютерного моделювання піддатливого рамного кріплення. Методика. Ми застосували комбінацію різних методів дослідження, а саме: FLAC3D модель, стендові ви-пробування а також матеріальний профіль рам у вигляді примітивних його замінників замість стандартних структурних елементів, наприклад балок, які є фактично математичними лініями, що мають абстрактні геомет-ричні характеристики рамного профілю. Результати. Досліджено взаємодію стального рамного кріплення та оточуючих його порід під час підтрим-ки вентиляційної виробки позаду очисного вибою для забезпечення прямоточного провітрювання, що знижує небезпеку вибуху метану. Наукова новизна. Запропонована модель профілю може бути корисним практичним інструментарієм, що допоможе вдосконалити рамне кріплення під час взаємодії породного масиву з рамним кріпленням в складних геологічних та геомеханічних умовах. Практична значимість. Завдяки такому підходу, ми змогли отримати практично усі зразки поведінки рам-ного реального профілю: розворот рам у просторі і їх зсув, пластичні прогини у склеповій частині арок, поздо-вжнє скручування та розчеплення профілю, боковий згин, розрив та проковзування у замках піддатливості. На подив, поведінка рамного кріплення у комп’ютерній моделі була надзвичайно реалістичною, незважаючи на примітивну апроксимацію рамного профілю, що демонструє оригінальність нового підходу.

Цель. Проблема компьютерного моделирования необратимых деформаций и перемещений стального рам-ного крепления остается нерешенной. Целью этого исследования была разработка нового подхода к компью-терному моделированию податливого рамного крепления. Методика. Мы применили комбинацию различных методов исследования, а именно: FLAC3D модель, стен-довые испытания, а также материальный профиль рам в виде примитивных его заменителей вместо стандарт-ных структурных элементов, например балок, которые являются фактически математическими линиями, име-ющие абстрактные геометрические характеристики рамного профиля. Результаты. Исследовано взаимодействие стального рамного крепления и окружающих его пород при под-держании вентиляционной выработки позади очистного забоя для обеспечения прямоточного проветривания, что снижает опасность взрыва метана. Научная новизна. Предложенная модель профиля может быть полезным практическим инструментарием, который поможет усовершенствовать рамное крепление во время взаимодействия породного массива с рамным креплением в сложных геологических и геомеханических условиях. Практическая значимость. Благодаря такому подходу, мы смогли получить практически все образцы по-ведения реального рамного профиля: разворот рам в пространстве и их смещение, пластические прогибы в сводовой части арок, продольное скручивание и расщепление профиля, боковой изгиб, разрыв и проскальзы-вания в замках податливости. На удивление, поведение рамного крепления в компьютерной модели было чрез-вычайно реалистичным, несмотря на примитивную аппроксимацию рамного профиля, что демонстрирует ори-гинальность нового подхода.