Способы и средства моделирования

17.03.2020

Впервые высказанная и осуществленная Г.Н. Кузнецовым идея использовать эквивалентные материалы, соответствующие в масштабе моделирования реальным материалам, для имитации на моделях массивов горных пород реализуется в лаборатории рудничной крепи и механики горных пород института «Бергбау-форшунг» путем применения тонкозернистых смесей, содержащих портландцемент, глиноземистый цемент, кварцевую муку, известковую пыль или золу-унос из электрофильтров. Из таких смесей при варьировании содержания отдельных компонентов можно готовить материалы с разными прочностными свойствами, соответствующими в масштабе 1:10 прочностным свойствам угля, глинистого сланца и песчаника. Детали крепей также изготавливаются с соблюдением определенного масштаба в отношении площади поперечного сечения, предела текучести, модуля упругости или предела прочности на одноосное сжатие.

Моделирование проявлений горного давления. Стенд для испытаний моделей подготовительных выработок. Он состоит из двух достаточно прочных рам (горизонтальной и вертикальной), в которые укладывают модель породного массива и которые служат в качестве опоры для гидравлических домкратов.

Нагружение каждой из четырех боковых узких сторон модели производится при помощи пяти гидродомкратов, работающих от отдельных маслонасосов и развивающих усилие до 1000 кН. Крышка лицевой поверхности модели прижимается еще четырьмя гидродомкратами. Управление гидродомкратами и контроль за давлением в них, перемещением поршней и потребляемой маслонасосами мощностью осуществляется с центрального пульта. При помощи датчиков давления и перемещения могут быть реализованы любые программы равномерных и неравномерных режимов нагружения модели.

На стенде для испытаний моделей подготовительных выработок в масштабе 1:10 воспроизводится плоский участок породного массива, имеющий форму квадратной плиты (в пересчете на натуру 20х20х4 м). Он имитирует собой ближайшее окружение контура выемочного штрека, которое последовательно подвергается нагрузкам в соответствии с расстоянием от лавы и рассматриваемым поперечным сечением штрека. При этом предполагается, что лава движется параллельно оси штрека. Таким образом, на модели могут быть воспроизведены все виды напряженного состояния, начиная от действия опережающего опорного давления в то время, когда с обеих сторон штрека находился нетронутый угольный массив, и кончая деформацией выработки после отработки пласта с обеих сторон штрека.

Моделируются условия, соответствующие глубине горных работ от 600 до 1200 м. Если принять, что средняя плотность пород в массиве составляет 2500 кг/м3, то для глубины 600 м получаем величину горного давления 15 МПа, соответствующую 1,5 МПа в модели. Давление от отсутствующих в модели вышележащих породных слоев создается при помощи гидродомкратов. Давление, действующее на штрек, может возрасти в несколько раз по сравнению с геостатическим, если моделируемый участок находится в зоне влияния краевых частей соседних пластов. Моделируемый плоский участок породного массива нагружается в горизонтальном положении, поэтому давление от собственного веса пород в своде обрушения над штреком (соответствующее в натуре, например, 0,1 МПа) может не учитываться, поскольку оно весьма мало по сравнению с прилагаемой нагрузкой (например, 30 МПа).

Устройство для испытаний отдельных участков породного массива. Поскольку смятие со складкообразованием неподрезанных контуром штрека породных слоев, находящихся в его кровле или почве, вызывается действием параллельного напластованию давления, представляется целесообразным испытывать отдельно участки породного массива кровли или почвы выработки. Такие эксперименты можно подготавливать сравнительно быстро и проводить их на прессе для испытаний строительных материалов в условиях одноосного сжатия.

Стенд для испытаний моделей очистных выработок. Он служит для экспериментов на вертикально установленных моделях породного массива размером 10х2х0,4 м с линейным масштабом 1:10. Вертикальное расположение модели позволяет учитывать воздействие собственного веса пород, так что имеется возможность наблюдать за изменением горного давления с учетом собственного веса отделившихся от массива породных масс непосредственной кровли.

Над моделью на протяжении 10 м (что соответствует в натуре длине участка по простиранию 100 м) установлены 40 гидропрессов, каждый из которых развивает усилие до 600 кН, а по ее бокам — еще по 8 гидропрессов. Нагружение лицевой площади модели осуществляется при помощи 20 пластин, каждая из которых прижимается к модели отдельным гидроцилиндром.

Каждая пара гидравлических цилиндров приводится в действие отдельным маслонасосом. Путем регулирования нагрузки можно воспроизводить различные ситуации, относящиеся к концентрации напряжений в массиве и опусканию породных слоев. Давление в гидроцилиндрах и перемещение поршней можно задавать и контролировать при помощи электрических датчиков. Поскольку лицевая сторона модели во время ее нагружения должна быть закрыта пластинами, препятствующими боковому распору материала, за деформациями призабойного пространства лавы в это время можно следить только с помощью встроенных в модель датчиков. Состояние модели на каждом этапе эксперимента фиксируется путем фотосъемки, для чего лицевая часть модели должна быть полностью открыта.

Масштабы моделирования. В основу моделирования с использованием эквивалентных материалов положен один и тот же масштаб для линейных размеров и прочностных показателей, равный 1:10. Исходя из этого масштабы для остальных физических величин характеризуются данными табл. 5.3.

Поскольку на моделях должно исследоваться преимущественно поведение породного массива при разрушении, а деформации при разрушении во много раз превышают упругие деформации, требования относительно соблюдения масштаба относятся в первую очередь к пределу прочности пород. Такими же показателями, как модуль упругости или коэффициент Пуассона, можно пренебречь.

Материалы модели. В лаборатории рудничной крепи и механики горных пород при изготовлении моделей используются следующие материалы: портландцемент PZ 55, глиноземистый цемент в качестве вяжущего, зола, улавливаемая электрофильтрами (ранее применялась кварцевая мука или известковая пыль), вода.

Смеси указанных компонентов в определенных соотношениях дают возможность изготавливать материалы, прочностные показатели которых соответствуют в масштабе 1:10 прочностным свойствам осадочных пород карбона (табл. 5.4).

Слои, формирующие модель породного массива, укладываются и выравниваются механическим способом. Поверхности контакта между отдельными слоями на модели характеризуются коэффициентом трения 0,8—1, что примерно соответствует коэффициенту трения межслоевых поверхностей в натуре. Поверхность скольжения с коэффициентом трения 0,3 воспроизводят с помощью парафинированной шелковой бумаги. Трещины естественного происхождения можно воссоздать различными способами.

Для моделирования деревянных костров используется бальзовая древесина, модуль сжатия которой примерно в 10 раз меньше, чем у сосны. Стальные элементы крепей моделируются чистым алюминием с пределом текучести 0,42 МПа, что также примерно в 10 раз меньше, чем у высокосортной стали. Элементы бетонных крепей воспроизводятся эквивалентными материалами с любыми заданными прочностными показателями.

Моделирование поведения крепей. Для решения отдельных задач были сооружены специальные стенды, краткое описание некоторых из них приведено ниже.

Испытания различных форм оснований секций щитовой механизированной крепи для определения характера нагружения почвы. Важным фактором, влияющим на «запахивание» секций крепи при их передвижке, является форма передней кромки основания секции. Влияние формы носков основания исследовали при экспериментах на модели в масштабе 1:10. Модель состояла из песчаной постели, по которой при помощи домкрата передвижки передвигали щитовую крепь. Основание крепи прижимали к почве гидродомкратом с усилием, которое соответствовало реальному усилию, действующему на основание при передвижке секции. Измерению подлежала глубина вдавливания основания в почву после каждого шага передвижки.

Исследования устойчивости крепи в лавах, подвигаемых по падению пласта. Их проведение преследовало цель установить требования к ограждениям щитовых крепей, работающих в лавах с обрушением кровли при подвигании забоя по падению пласта. При линейном масштабе модели 1:10 масштаб для работы (энергии) должен быть равным 1:10 000, масштаб для скорости —1:V10, для прочностных характеристик — 1:10 и для коэффициента трения— 1:1.

Раму модели, заполненную натурными породами кровли и почвы, можно было регулировать, меняя тем самым угол падения и мощность пласта или конвергенцию кровли и почвы в лаве.

Стенд для испытаний одиночных рам арочной крепи. На нем испытываются в масштабе 1:10 рамы арочной крепи с целью определения их несущей способности и деформируемости.

Стенд для испытаний взаимосвязанных рам арочной крепи. Имеется также стенд для испытаний в масштабе 1:10 взаимосвязанных 19 рам арочной крепи, предназначенный для установления несущей способности и деформируемости арок при различных способах межрамных соединений.

Модели для исследований напряженного состояния массива. Подобного рода модели служат преимущественно для воспроизведения в заданном масштабе характера и размеров крупных деформаций породного массива. Для изучения напряженного состояния издавна применяются фотомеханические и электрические аналоговые модели.

Фотомеханическое моделирование напряженного состояния массива при ведении очистных работ в районе перегибов угольных пластов. Применявшиеся ранее способы оценки напряженного состояния породного массива и цифровая модель Г. Эверлинга непригодны для изучения его напряженного состояния в местах перегибов угольных пластов (синклиналей и антиклиналей). В этом случае для решения поставленных задач используются фотоупругие модели. Отработка отдельных участков пластов имитируется в них путем вырезания полостей в материале модели. Образующиеся в модели изохромы дают представления о характере распределения напряжений в начале и конце эксперимента. Расположение изохром пропорционально разности главных напряжений о1—о2 и позволяет получить представление о распределении главных касательных напряжений в зонах влияния очистных работ, поскольку главное касательное напряжение определяется разностью главных нормальных напряжений 2т=о1—о2.

Главные касательные напряжения являются одновременно критерием напряженного состояния породного массива.

Фотомеханическое моделирование напряженного состояния массива при ведении очистных работ в районе перегиба угольных пластов, дополняемое экспериментами на электрических аналоговых моделях. Если помимо главных касательных напряжений требуется исследовать, также главные нормальные напряжения, рекомендуется применять в сочетании с методом фотоупругости метод электроаналогий Исследования, проведенные таким комплексным методом, позволили, в частности, установить, что при разработке пологих пластов непосредственно над и под выработанным пространством, а также рядом с ним образуются зоны, в которых горизонтальное давление уменьшается и в зависимости от краевых условий даже меняет знак, приводя к напряжениям растяжения. Для выявления таких зон необходимо точное знание характера горизонтального давления в ненарушенном породном массиве. Если давление во всех направлениях одинаково, то напряжения растяжения не образуются. В случае крутонаклонного залегания пластов даже при незначительном горизонтальном давлении образуется параллельная напластованию компонента горного давления, препятствующая возникновению растягивающих напряжений.

Хотя метод фотоупругости требует относительно больших затрат, его применение позволяет непосредственно выявить зоны, наиболее опасные в отношении обрушения. Метод электрических аналогий после оборудования соответствующей модели обеспечивает получение точных результатов, которые, хотя и не представляют сами по себе практического интереса, но в сочетании с методом фотоупругости дают возможность выявить зоны наибольших и наименьших напряжений.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна