Development and analysis of computational model of geomechanical system “layered massif – working support”

Abstract

Purpose. Substantiating the method for forecasting rock pressure manifestation in the system “layered massif – working support” on the basis of displacement patterns detection at any arbitrary point of the preparatory working circuit during the computational experiments. Methods. Computational experiments were carried out on the basis of the finite element method using the solid computational domain, provided superlimiting non-linear behavior of the simulated materials. The use of numerical grid methods allows creating geometrically and physically complex simulation models and manipulate their state within a wide range. Findings. The calculations defined that with weak links between adjacent strata, acting shear stresses destroy them in the vicinity of working, and the contiguous rock strata deform with mutual sliding. Analysis of reduced stress area allows to substantiate with accuracy sufficient for mining computations a unified average structure of the computational domain that most comprehensively reflects all the main features of a real mining massif which are likely to influence computational error. This choice ensures the introduced error value within 10% in the entire range of mechanical parameters change of the rock massif strata. Originality. Stress-strain state of frame support and patterns of its change with increasing mining depth are non-linear, especially with nearby rock strata entering the superlimiting state; formation of the plastic hinges system along the frame support circuit, which causes the development of such replacements that exclude the possibility of further working exploitation. Practical implications. The proposed method allows to determine the optimal indicators of maintaining a working driven in the finely-layered rock massif, which makes it possible to significantly reduce operation costs.

Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспериментов было выполнено на основе метода конечных элементов с использованием объемной расчетной области при условии запредельного нелинейного поведения моделируемых материалов. Применение сеточных численных методов позволяет создавать геометрически и физически сложные расчетные модели и при этом манипулировать их состоянием в широких пределах. Результаты. В результате расчетов установлено, что при слабых связях между соседними слоями, действующие касательные напряжения их разрушают в окрестности выработки, и смежные породные слои деформируются с проскальзыванием друг относительно друга. Анализ поля приведенных напряжений позволил с достаточной для горнотехнических расчетов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной области, наиболее полно отражающей все основные особенности реального горного массива, влияющие на погрешность проводимых расчетов. Этот выбор обеспечивает величину привносимой погрешности в пределах 10% во всем диапазоне изменения механических параметров породных слоев горного массива. Научная новизна. Напряженно-деформированное состояние рамной крепи и закономерности его изменения с ростом глубины являются нелинейными, особенно при переходе близлежащих породных слоев в запредельное состояние; образование системы пластических шарниров по контуру рамной крепи способствует развитию таких ее перемещений, которые исключают возможность дальнейшей эксплуатации выработки. Практическая значимость. Выработанная методика позволяет определять оптимальные показатели поддержания горной выработки, пройденной в мелкослоистом породном массиве, что позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты.

Мета. Обґрунтування методики прогнозу проявів гірського тиску в системі “шаруватий масив – кріплення виробки” на основі виявлення закономірностей зсуву довільної точки контуру підготовчої виробки при проведенні обчислювальних експериментів. Методика. Проведення обчислювальних експериментів було виконано на основі методу кінцевих елементів з використанням об’ємної розрахункової області за умови позамежного нелінійного поводження матеріалів, що моделюються. Застосування сіткових чисельних методів дозволяє створювати геометрично й фізично складні розрахункові моделі й при цьому маніпулювати їх станом у широких межах. Результати. У результаті розрахунків встановлено, що при слабких зв’язках між сусідніми шарами, діючі дотичні напруження їх руйнують в околиці виробки, і суміжні породні шари деформуються із проковзуванням один щодо одного. Аналіз поля наведених напруг дозволив з достатньою для гірничотехнічних розрахунків точністю обґрунтувати єдину усереднену структуру розрахункової області, що найбільше повно відбиває всі основні особливості реального гірського масиву, що впливають на погрішність проведених розрахунків. Цей вибір забезпечує величину погрішності, що привноситься, у межах 10% у всьому діапазоні зміни механічних параметрів породних шарів гірського масиву. Наукова новизна. Напружено-деформований стан рамного кріплення та закономірності його зміни з ростом глибини є нелінійними, особливо при переході прилеглих породних шарів у позамежний стан; утворення системи пластичних шарнірів по контурі рамного кріплення сприяє розвитку таких її переміщень, які виключають можливість подальшої експлуатації виробки. Практична значимість. Створена методика дозволяє визначати оптимальні показники підтримки гірничої виробки, яку пройдено в дрібношаруватому породному масиві, що дозволяє істотно знизити експлуатаційні витрати.