авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

имени Н.С. Полякова

ГЕ ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

GE TECHNICAL MECHANICS

МЕЖВЕДОМСТВЕННЫЙ СБОРНИК

НАУЧНЫХ ТРУДОВ

ВЫПУСК 78

Днепропетровск

2008

УДК 622.02:539.3

Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической

механики им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2008. – Вып. 78. – 261 с.

В сборнике рассмотрены результаты прогнозирования горно-геологических условий разработки месторождений, изучения структурно-фазовых переходов в породах и горных массивах, новые подходы в обосновании условий и парамет ров применения различных типов крепей для поддержания горных выработок, а также методы и средства диагностирования и контроля геотехнических систем.

Для научных работников. аспирантов и студентов высших учебных заведений горного профиля.

Редакционная коллегия:

Академик НАН Украины, д-р техн. наук, проф. Булат А.Ф. (главный редак тор), чл.-корр. НАН Украины, д-р техн. наук, проф. Ефремов Э.И. (зам. главно го редактора), д-р техн. наук Виноградов В.В. (зам. главного редактора), д-р техн. наук, проф. Блюсс Б.А., д-р техн. наук, проф. Васильев Л.М., чл.-корр.

НАН Украины, д-р техн. наук Волошин А.И., д-р техн. наук, проф. Дырда В.И., д-р геол.-мин. наук, проф Лукинов В.В., д-р техн. наук, проф. Надутый В.П., д-р техн. наук Перепелица В.Г., д-р техн. наук, проф. Усаченко Б.М., д-р техн. наук, проф. Четверик М.С.

Рецензенты: А.Н. Шашенко, д-р техн. наук, профессор В.В. Цариковский, д-р техн. наук Ответственные за выпуск: д-р техн. наук, проф. Усаченко Б.М., д-р техн. на ук, проф. Ильяшов М.А.

Адрес редколлегии: 49005, Украина, г. Днепропетровск, ул. Симферополь ская, 2-а. Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украи ны. Тел (0562) 46-01-51, (056) 370-26-97, факс (0562) 46-24-26.

Утверждено к печати Ученым Советом Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины (протокол № 8 от 16 октября 2008 года) © ИГТМ НАН Украины, ISSN 1607- Выпуск № УДК. 621.039.58:537.531: Булат А.Ф.

Иванов В.А.

Голов К.С.

Зыбайло С.Н.

Емельянов Ю.В.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ Наведені результати експериментальних досліджень з метою вибору раціональних тех нологічних параметрів, які забезпечують отримання високих радіаційно-захисних властивос тей тонкошарових полімерних покриттів.





GROUND OF CHOICE OF RATIONAL TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF FORMING OF POLYMERIC SHEETING Results of experimental researches with a purpose there is the choice of rational technological parameters which provide the receipt of high radiation-protective properties of thin layer polymeric coverages.

Развёртывание отечественного производства высокоэффективных и относи тельно доступных радиационно-защитных (РЗ) материалов нового техническо го уровня [1], в частности, на основе модифицирования различных матриц по лидисперсной смесью сложных окислов редкоземельных элементов (ОРЗЭ), сырьевой базой которых могут быть накопленные техногенные отходы в виде фосфогипса, для Украины является чрезвычайно актуальным.

Целью настоящей работы является обоснование выбора рациональных тех нологических параметров, обеспечивающих получение РЗ свойств полимерных покрытий, на основе модифицирования их матриц полидисперсной смесью сложных ОРЗЭ. Работа направлена на обоснование выбора рациональных тех нологических параметров, в частности, путем формирования РЗ покрытий на тканых перчатках с перспективой их использования, например, в качестве за щитных средств обслуживающим персоналом на втором контуре отечествен ных АЭС. Данное направление соответствует утвержденной Кабинетом Мини стров Украины целевой научно-технической программе «Ресурсозберігаючі технології нового покоління в гірничо-металургійному комплексі» [2].

Интенсивный поиск и разработка технологий по созданию РЗ материалов нового технического уровня началось, благодаря открытию неизвестного ранее явления аномального изменения интенсивности потока квантов проникающего излучения моно- и многоэлементными средами [3]. Однако многочисленные попытки реализовать на практике возможности открытого явления показали, что это сопряжено с освоением, так называемых, высоких технологий, недоста точная изученность которых до настоящего времени является серьёзным пре пятствием на пути получения надёжных результатов даже в лабораторных ус ловиях. В тоже время лабораторные исследования показали, что введение по лидисперсных РЗ модификаторов в различные объемные матрицы обеспечивает "Геотехническая механика" проявление в последних синергетического эффекта. Так, введение полидис персных РЗ модификаторов на основе вольфрама типа «Протектор» и «Конгло мерат» в объемные матрицы, соответственно в виде гипса и силикатной массы обеспечивают аномально высокое повышение РЗ свойств не при увеличении, а при уменьшении концентрации РЗ модификатора [1]. Аналогичный эффект на блюдается и при модифицировании объемных полимерных матриц полидис персным модификатором в виде сложного ОРЗЭ [4]. Однако для этого необхо димо создать условия для самоорганизации энергетических ансамблей из час тиц полидисперсной смеси РЗ модификатора. При этом следует добиться, что бы гранулометрический состав полидисперсной РЗ смеси включал, с одной стороны, ультрадисперсные частицы (УДЧ) с размерами (10-7 10-6) м, а с дру гой стороны, более крупные частицы (включая и агломераты) с размерами (10-5 10-3) м. Поскольку УДЧ и более крупные частицы в полидисперсной сме си имеют различные уровни энергии Ферми, между ними происходит переза рядка, сопровождаемая обменом электронами, что, в свою очередь, приводит к поляризации частиц и образованию энергетических ансамблей в соответствии с приобретенной указанными частицами величиной разноименных зарядов.



Вследствие этого при введении полидисперсной РЗ смеси в модифицируемую матрицу возникают сильные электростатические поля, а в энергетических ан самблях крупные частицы, заряженные положительно, оказываются окружен ными мелкими частицами, заряженными отрицательно. В результате при взаи модействии энергетических ансамблей с проникающим излучением аномально возрастает сечение фотопоглощения.

В тонкослойных полимерных покрытиях под действием сил поверхностного натяжения энергетические ансамбли частиц приобретают слоистую фракталь ную структуру. Это обусловлено тем, что равнодействующая межмолекуляр ных сил в поверхностном слое материала покрытия не равна нулю (как в объе ме матрицы) и направлена внутрь той фазы, в которой силы сцепления больше, т.е. в сторону поверхности покрываемого изделия. При этом, естественно, тех нологические аспекты формирования полимерных РЗ покрытий в отличие от объёмных матриц имеют свою специфику.

Информация об оптимальных концентрациях РЗ модификатора в различных матрицах, разработчиками и производителями конкретной РЗ продукции не публикуется и не раскрывается полностью в патентах, а нюансы технологии получения РЗ свойств закрыты в виде “know-how”.

При технологической подготовке РЗ модификатора непосредственно перед использованием очень важно избавить его от влаги, которую он впитал в себя из окружающей среды в процессе хранения. С повышением влажности напря женность электростатических полей в полидисперсной смеси РЗ модификатора падает. Это, в свою очередь, препятствует самоорганизации частиц в энергети ческие ансамбли, при которой оптимизируются расстояния между частицами в матрице, что, затрудняет или вообще прекращает взаимный обмен электронами между частицами различных размеров как на стадии формирования полимерно го защитного покрытия, так и в процессе его взаимодействия с проникающим Выпуск № излучением. В результате наблюдается резкое снижение РЗ свойств полимерно го защитного покрытия. Поэтому каждую порцию РЗ модификатора перед ис пользованием просушивают в сушильном шкафу при температуре (110-130) °С.

Исходными компонентами для приготовления полимерной композиции, на носимой в качестве РЗ покрытия на изделия, являются натуральный каучук, растворитель и РЗ модификатор.

Указанные компоненты смешивают и наносят на изделия (в нашем случае на тканную хлопчатобумажную перчатку) методом окунания. Смешивание компонентов осуществляют по следующей схеме: в приготовленный раствор каучука в одном из отобранных типов растворителей (Табл. 1.) добавляют предварительно активированную кратковременным (в течение одной минуты) ультразвуковым воздействием мегагерцового диапазона (1,5 МГц) суспензию РЗ модификатора в том же растворителе. При перемешивании суспензии поли дисперсной смеси РЗ модификатора в процессе ультразвукового воздействия, наряду с разрушением агломератов, активизируется процесс поляризации час тиц в ансамблях с возрастанием напряжённости электростатических полей в ансамблях частиц.

Вязкость полимерной композиции подбирают из условия, чтобы за одно окунание на перчатку наносился слой не более 200 мкм, что обеспечивает тре буемую высокую адгезию и равномерность покрытием. Каждое нанесенное по крытие перед формированием нового слоя подсушивают обогревателем на правленного действия типа NNR UFO-14 при температуре (60 – 70) °С.

В качестве критериев выбора рациональных технологических параметров были приняты: высокий уровень РЗ свойств полимерного покрытия;

высокие значения таких его физико-технических характеристик, как адгезия к ткани, межслойная адгезия, отсутствие скважности и равномерность полимерного по крытия на поверхности изделия. Наряду с этим, в качестве дополнительного критерия уровня РЗ свойств изделия было принято и количество последова тельно наносимых слоев РЗ покрытий.

Перед началом реализации вышеприведенного технологического процесса был осуществлен предварительный отбор нескольких типов растворителей, из условия способности их растворять натуральный каучук, а также, из условия их рыночной доступности (как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения де фицитности). В результате для исследований были выбраны растворители, краткая характеристика которых приведена в табл. 1. [5].

В основу же дальнейшей сравнительной оценки указанных растворителей были положены следующие соображения. Время испарения растворителя из полимерного покрытия должно быть меньше времени гравитационной седи ментации частиц полидисперсной смеси РЗ модификатора в растворителе. При этом время кристаллизации каучука в РЗ покрытии должно быть меньше вре мени седиментации РЗ модификатора. Только в этом случае под действием электростатических полей произойдет самоорганизация защитных энергетиче ских ансамблей. Следует подчеркнуть, что при этом ансамбли частиц в активи рованном состоянии будут зафиксированы закристаллизовавшейся матрицей "Геотехническая механика" каучука, в результате чего РЗ покрытие приобретет высокие функциональные свойства.

Таблица 1 – Растворители, выбранные для приготовления полимерной композиции для получения РЗ покрытия Плотность при Температура Растворитель Брутто-формула t=20°, кг/м кипения, °С Хлористый CH2Cl2 1325 41, метилен C2H4Cl Дихлорэтан 1252 83, С4Н8О Этилацетат 900 77, C7H Толуол 867 110, Изучение времени седиментации частиц РЗ модификатора в виде сложного ОРЗЭ в растворителях (Табл. 1) были проведены по известной [4], но несколько усовершенствованной нами методике. При этом 0,2 г сложного ОРЗЭ предва рительно взбалтывали в пробирке с 10 мл растворителя, затем, в отличие от из вестной методики, полученную суспензию дополнительно подвергали ультра звуковому воздействию в течение одной минуты при частоте 1,5 МГц, после чего пробирку с суспензией ставили на отстой с фиксацией времени седимен тации частиц. Воздействие на суспензию ультразвуком разрушает агломераты и увеличивает долю УДЧ в ней, что обуславливает увеличение времени гравита ционной седиментации частиц. Результаты проведенного исследования приве дены на диаграмме (Рис. 1), из которой очевидно, что наиболее предпочтитель ным по времени гравитационной седиментации частиц РЗ-модификатора в рас творителе, является хлористый метилен.

T), мин Время гравитационной седиментации (lg 0, Хлористый Дихлорэтан Этилацетат Толуол метилен Рис. 1 – Сравнительная диаграмма времени гравитационной седиментации частиц РЗ модификатора в виде сложного ОРЗЭ в различных растворителях Выпуск № С точки зрения эффективности придания РЗ свойств полимерным матрицам и, в частности, в виде покрытий преимущества принятого РЗ модификатора оп ределяются следующим: 1) имея сравнительно низкую плотность, сложные ОРЗЭ более сочетаемы с каучуками;

2) имея в своем составе набор лантанои дов, сложные ОРЗЭ обеспечивают «растянутый» максимум поглощения рент геновского излучения.

С учетом вышеизложенного, на идентичных четырех образцах в виде тка ных хлопчатобумажных перчаток были нанесены многослойные полимерные РЗ покрытия суммарной толщиной 1 мм на каждом.

Образцы при нанесении покрытия окунали в полимерную РЗ композицию, приготовленную на основе конкретного растворителя, выбранного из предварительно отобранного ряда (Табл. 1.). При этом концентрация РЗ модификатора по отношению к сухому остатку полимерной композиции на всех образцах была выдержана одинако вой. С целью упрощения технологии изготовления образцов и удобства при их рентгенографическом тестировании использовали только пальцы перчаток. Об лучение образцов осуществляли на рентгеновской установке типа «РУМ» с ди агностическим рентгеновским излучателем «РИД-2-2» по ТУ 25-06.910-76 с рентгеновской трубкой «БД 21-150» при следующих режимах: величина уско ряющего напряжения – 69 кВ;

количество электричества – 25 мА·с;

время экс позиции – 0,5 с;

расстояние до исследуемого объекта – 1000 мм.

Вместо традиционной денситометрии рентгеновских снимков было исполь зовано оборудованное люминесцентной лампой с холодным катодом скани рующее устройство EPSON Perfection V700 Photo, с помощью которого был по лучен электронный вариант негатива рентгеновской пленки. Обработку пленки осуществляли с использованием компьютерной программы Adobe Photoshop CS3 Extended, позволяющей получить объективную денситометрическую ин формацию об уровне РЗ свойствах покрытий.

На рис. 2. представлены результаты рентгенографического тестирования полимерных РЗ покрытий на основе использования для приготовления поли мерных композиций различных растворителей.

Сравнительная оценка контраста свинцового ослабителя с полученными рентгеновскими снимками исследуемых полимерных покрытий на образцах в виде пальцев хлопчатобумажных перчаток показала, что наибольшим уровнем РЗ свойств обладает образец, полученный с использованием в качестве раство рителя полимерной композиции хлористого метилена. Этот результат обуслов лен тем, что хлористый метилен в ряду растворителей (Табл. 1.) имеет наи большую скорость испарения. При этом скорость гравитационной седимента ции полидисперсной смеси частиц ОРЗЭ в нем наименьшая.

В свою очередь, как следует из рис. 3, многослойные покрытия позволяют наращивать РЗ свойства изделий без варьирования концентрацией РЗ модифи катора в полимерной композиции. Ниже представлены тканые образцы с РЗ по крытием, с использованием в качестве растворителя хлористого метилена.

"Геотехническая механика" а) толуол – Pbэкв 0,04 мм;

б) этилацетат – Pbэкв 0,05 мм;

в) дихлорэтан – Pbэкв 0,05 мм;

г) хлористый метилен – Pbэкв 0,20 мм.

Рис. 2 – Результаты сравнительного рентгенографического тестирования полимерных РЗ покрытий на образцах в виде пальцев хлопчатобумажных перчаток при использовании различных типов растворителей:

а) один слой;

Pbэкв 0,03 мм;

толщина покрытия РЗ;

б) два слоя;

Pbэкв 0,04 мм;

толщина покрытия РЗ;

в) три слоя;

Pbэкв 0,05 мм;

толщина покрытия РЗ;

г) четыре слоя;

Pbэкв 0,10 мм;

толщина покрытия РЗ Рис. 3 – Влияние количества слоев на РЗ свойства покрытия:

Выпуск № Обобщая результаты проведенных исследований, можно заключить, что вы бор рациональных технологических параметров формирования РЗ полимерных покрытий, прежде всего, призван обеспечить эффективную самоорганизацию полидисперсных частиц РЗ модификатора в энергетические ансамбли, обеспе чивающие при их взаимодействии с проникающим излучением увеличение се чения фотопоглощения. При этом, как установлено, необходимо соблюдать следующий технологический регламент:

1) в качестве РЗ модификатора использовать полидисперсную смесь слож ных ОРЗЭ, которую предварительно следует просушивать при температуре (110130) °С, а после помещения в растворитель подвергать непродолжитель ному (в течение 1 минуты) УЗ воздействию мегагерцовой частоты;

2) вязкость полимерной композиции, определяемая толщиной ее слоя, удер живаемого на покрываемой поверхности при однократном окунании, подби рать, исходя из функционального назначения РЗ изделия;

в нашем случае, для тканых РЗ перчаток толщина такого слоя не превышала 200 мкм;

3) при формировании многослойных покрытий перед нанесением каждого нового слоя предыдущий слой следует подсушивать при температуре (6070) °С;

4) в качестве растворителя полимерной композиции применять хлористый метилен, в котором время гравитационной седиментации частиц полидисперс ной смеси РЗ модификатора в виде сложных ОРЗЭ значительно превышает время кристаллизации натурального каучука, что, в свою очередь обеспечивает оптимальные условия для эффективной самоорганизации полидисперсных час тиц в энергетические ансамбли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат А. Ф. Радиационно-защитные материалы нового технического уровня / Булат А. Ф., Иванов В. А.

// Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2006. – Вип. 64. – С. 3-14.

2. Перелік державних наукових і науково-технічних программ з пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки : [Електрон. ресурс]. / Верховна Рада України. – Режим доступу:

http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg=1716-2001-%EF 3. Явление аномального изменения интенсивности потока квантов проникающего излучения моно- и мно гоэлементными средами [Иванов В. А., Катращук Г. К., Конюхов С. Н. и др. Диплом на открытие №57] / Науч ные открытия ученых СНГ: краткий справочник / Клименко Ф. К., Зыбайло С. Н. – Д. : Новая идеология, 2008. – С. 112-113.

4. Булат А. Ф. Исследование радиационно-защитных свойств резиновых матриц с «квантовыми ловушка ми» из полидисперсной смеси сложного окисла редкоземельных элементов / Булат А. Ф., Іванов В. А., Го лов К. С. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2007. – Вип. 69. – С. 25-34.

5. Дринберг С. А. Растворители для лакокрасочных материалов / Дринберг С. А., Ицко Э. Ф.;

справочное пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Химия, 1986. – 208 с.

"Геотехническая механика" УДК 622. О.Д. Кожушок НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ В ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ДВОЙНОЙ ЛИТОЙ ПОЛОСЫ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ Наведено результати аналітичних досліджень деформацій штреку при зведенні подвійної литої смуги в відпрацьованому просторі.

MODE OF DEFORMATION IN A MARGINAL ZONE DEVELOPMENT GALLERY AT BUILDING OF A DOUBLE CAST STRIP IN MINED-OUT SPACE The results of analytical researches of deformations of a drift are given at building of a double cast strip in mined-out space.

В последние годы угольная промышленность Украины характеризуется кон центрацией производства на ограниченном числе крупных предприятий. Ис пользование достижений науки в совокупности с техническим перевооружени ем всех звеньев угледобычи позволили значительно увеличить нагрузку на очи стной забой. Однако быстрое подвигание лавы привело к новым проблемам.

Одной из них является ухудшение состояния сопряжения выемочного штрека с лавой при использовании традиционных крепей сопряжения.

Выполненные в Германии в конце прошлого века обширные исследования показали, что достаточно эффективным способом поддержания выемочного штрека за лавой и самого сопряжения является возведение в выработанном про странстве приштрековой литой полосы. На Украине такая технология адапти рована применительно к условиям Центрального Донбасса и успешно исполь зуется на передовых предприятиях отрасли: шахтах «Красноармейская Западная № 1» и им. А.Ф. Засядько [1, 2]. Однако анализ практического опыта эксплуатации комбинированной охранной конструкции, поддерживающей штрек за лавой, показал, что при большой скорости подвигания очистного за боя в сочетании со слабыми породами в почве она также оказывается недоста точно эффективной.

Одним из прорабатываемых в настоящее время вариантов повышения кон структивного качества комбинированной охранной конструкции для поддержа ния выемочнго штрека за лавой является включение в ее состав двухрядной ли той полосы. В данной работе представлен теоретический анализ работы такой конструкции. Схема расчетной области представлена на рис. 1.

Для проведения численных расчетов используется метод конечных элемен тов [3, 4]. Конечно-элементная модель является плоской. Проведение вычисли тельного эксперимента выполнено в упругой постановке, что снижает точность полученных результатов, однако позволяет определить основные тенденции деформирования сложной системы «крепь–массив» и характер влияния на де формации выработки охранной конструкции в виде литой полосы.

Выпуск № 1 2 9 3 4 8 5 6 7 "Геотехническая механика" е а л 1 – песчаник;

2 – алевролит;

3 – уголь;

4 – алевролит;

5 – песчаник;

6 – приконтурный слой;

7 – арочная крепь;

8 – стойка дере вянная;

9 – низкопрочная полоса;

10 – высокопрочная полоса;

11 – увлажненный алевролит;

12 – граница слоев;

13 – разрушен ная порода Рис. 1 – Схема расчетной области Таким образом, к разработке модели принят вариант комбинированной ох ранной конструкции, включающей помимо арочной крепи две разножесткие полосы. Предполагается, что выработанное пространство, а также породный слой, непосредственно прилегающий к арочной крепи заполнены обрушенной породой.

Размеры расчетной области составляют: длина (по горизонтальной оси x ) – 45,7 м;

высота (по вертикальной оси z ) – 26,0 м. Количество конечных элемен тов модели – 7 686, количество узлов – 7 893, количество степеней свободы – около 15 000. Размеры конечного элемента в модели колеблются в пределах от 0,130,2 м до 0,50,5 м, что для модели таких размеров достаточно, чтобы схо димость решения и точность результатов были приемлемыми. В области выра ботки, ее крепления и охранных конструкций в виде литых полос сетка сгуще на, для того, чтобы концентрация напряжений была более четко выражена, чем это возможно отразить в моделях с конечными элементами больших размеров.

Также сгущение сетки проведено в почве выработки, так как в имеющихся мо делях предполагается наблюдение за пучением почвы. Распределение конечных элементов в пределах модели схематически представлено на рис. 2.

Рис. 2 – Распределение конечных элементов в пределах модели После создания геометрии конечноэлементной модели на нее налагаются граничные условия, которые наиболее адекватно отображают работу системы «крепь штрека – литая полоса – породный массив». Верх модели нагружен рав номерно распределенной нагрузкой и свободен от запрета деформаций. На ле вой плоскости деформации запрещены;

на правой плоскости – также запрет деформаций, кроме слоя алевролита в кровле пласта, который остается свобод ным от граничных условий. На нижней плоскости модели запрещены дефор мации по горизонтальной и вертикальной осям.

Выпуск № После постановки граничных условий модели были присвоены деформаци онные характеристики и плотность, которые задавались в соответствии с дан ными лабораторных исследований материалов и горных пород. Их физико механические свойства приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Физико-механические свойства материалов для модели Предел Модуль Коэффициент Плотность Порода или прочности упругости Пуассона ст ·103, кг/м материал Ест., ГПа сж., МПа р, МПа Песчаник 2,5 60 7 16 0, Алевролит 2,6 45 5 12 0, Уголь 1,3 15 2 3, 5 0, Разрушенная порода 2,0 15 0 2 0, Дерево 0,9 40 15 2 0, Низкопрочная полоса 2,0 10 1 1 0, Высокопрочная полоса 2,2 20 2 2 0, Влажный алевролит 2,5 15 2 4 0, При задании деформационных свойств конечных элементов пластинчатого типа, кроме статического модуля упругости, статического коэффициента Пуас сона и плотности, следует задавать толщину пластины, которая принята в дан ном исследовании равной ширине рамы крепления СВП-27, то есть 149,5 мм (в модели – 150,0 мм). Таким образом, после задания модели деформационных свойств получена карта жесткостей, соответствующих породам с учетом их со стояния и искусственным материалам.

Для границ слоев алевролита присвоено свойство проскальзывания, модели рующее поведение слоистого массива, который постепенно обламывается над выработанным пространством Метод конечных элементов, как один из числен ных методов механики сплошной среды, оперирует понятием сплошности, то есть образование трещин или пустот в ходе расчета континуальной модели за труднительно. Исследуя среды с трещиноватостью или пустотами, следует за давать эти неоднородности как геометрические тела, то есть в процессе стати ческого численного анализа их возникновение невозможно. Однако, в ходе ана лиза решения, полученного при расчете, можно однозначно выделить области концентрации напряжений и путем сравнения величин компонент напряжений или их эквивалентных величин, спрогнозировать некоторые параметры трещи нообразования, например, направление распространения трещины.

После операций по присвоению модели деформационных характеристик, к ней прикладываются нагрузки в виде веса массива налегающих пород. Давле ние массива пород можно рассчитать по формуле = H, где – объемный вес налегающих пород, H – глубина заложения. Это давление прикладывается равномерно к верхней границе модели.

Вся графическая информация комплекса для значений перемещений и ком понент напряжений приводится в виде изолиний и изополей. Изополе ограни чивается двумя изолиниями с граничными значениями параметра.

"Геотехническая механика" При решении задачи задавалось 14 градаций для величин напряжений и де формаций. С учетом трудности представления результатов в первоначальной форме для данной публикации был произведен специальный перерасчет с вы делением всего четырех градаций.

Распределение упругих горизонтальных деформаций вокруг выработки представлено на рис. 3.

Z X Границы изополей деформаций (мм):

от -6,42 до – 3, от -3,12 до – 0, от -0,65 до 1, от 1,00 до 2, от 2,85 до 5, Рис. 3 – Характер распределения горизонтальных деформаций Необходимо обратить внимание, что кажущаяся значительная асимметрия деформаций вокруг выработки обусловлена выбором начала системы коорди нат, удобным с точки зрения вычислительного процесса. Радиальные по отно шению к контуру выработки деформации с одинаковым модулем по разные стороны вертикальной оси выработки имеют различные знаки и поэтому раз личным образом представлены на рис. 3. Тем не менее, даже в таком виде, кар тина распределения деформаций позволяет сделать некоторые выводы;

Выпуск № а) область интенсивных горизонтальных деформаций в массиве вокруг ох раняемой выработки вытянута в сторону выработанного пространства и в меньшей степени – в сторону угольного целика;

б) в массиве, непосредственно над сводом выработки, горизонтальные де формации незначительны;

в) наблюдается чередование зон с различной величиной горизонтальной де формации в вертикальном направлении, как над выработанным пространством, так и над симметрично расположенным относительно выработки участком;

г) в почве выработки горизонтальные деформации выявлены лишь в при контурном слое и быстро затухают по мере удаления от контура выработки.

Картина для вертикальных деформаций массива и крепи представлена на рис. 4.

Z Границы изополей деформаций (мм):

X Границы изополей деформаций (мм):

от -50,9 до – 40, от -40,0 до – 29, от -29,1 до -18, от -18,2 до -10, от -10,9 до Рис. 4 – Характер распределения вертикальных деформаций в пределах расчетной области "Геотехническая механика" Анализ распределения вертикальных деформаций в соответствии с рис. позволяет сделать следующие выводы:

а) наиболее значительные вертикальные деформации ожидаются над сводом выработки (с учетом того, что выработанное пространство уже заполнено об рушенной породой);

б) над выработкой, на большом удалении от ее контура распределение де формаций практически симметрично по отношению к вертикальной оси выра ботки и приобретает асимметричный характер по мере приближения к неодно родностям в массиве;

в) ближняя зона в почве охраняемой выработки характеризуется резкой асимметрией деформаций, а по мере удаления от контура выработки степень асимметрии снижается;

г) наличие литой полосы приводит к уменьшению модуля вертикальных де формаций в почве пласта, непосредственно под полосой.

Совместный анализ рис. 3 и рис. 4 косвенно свидетельствует о наличии асимметрии деформаций в массиве и на контуре выработки. Для более деталь ного представления о деформациях арочной крепи, как непосредственно на блюдаемой в выработке, был выполнен расчет суммарных деформаций с уче том их вектора и модуля. Ввиду относительной малости деформаций их на глядное отображение возможно только с искажением масштаба. При этом со храняется качественная картина ожидаемых деформаций и возможность сопос тавления с реально наблюдаемыми в шахтных условиях. Расчетное распределе ние деформаций по контуру выработки схематически представлено на рис. 5.

Со стороны выработанного пространства Рис. 5 – Схематическое распределение расчетных деформаций арочной крепи Выпуск № В соответствии с рис. 5 наибольшие деформации должны наблюдаться в верхней части свода со стороны выработанного пространства. Такой характер деформаций дает и физическое моделирование (в натурных условиях двойная полоса еще не апробирована). Наблюдаемая при нагрузке на модель форма вы работки представлена на рис. 6.

Рис. 6 – Характер деформации контура выработки по данным физического моделирования СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Байсаров Л.В., Ильяшов М.А., Демченко А.И. Геомеханика и технология поддержания повторно исполь зуемых горных выработок. – Днепропетровск: ЧП «Лира ЛТД», 2005. – 240 с.

2. Временный технологический регламент по охране подготовительных выработок угольных шахт литыми полосами из твердеющих материалов. / Булат А.Ф., Ильяшов М.А., Усаченко Б.М., Байсаров Л.В. и др. – Днеп ропетровск: РИА «Днепр-VAL», 2004. – 33 с.

3. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластин. – Рига: Зинатне, 1988. – 284 с.

4. Основы метода конечных элементов. / Большаков В.И., Яценко Е.А., Соссу Г. и др. – Днепропетровск:

ПГАСиА, 2000. – 255 с.

"Геотехническая механика" УДК 622.023.23:539. Докт. техн. наук, профессор В.Г. Перепелица, канд. техн. наук Л.Д. Шматовский, канд. физ.-мат. наук А.Н. Коломиец МЕТОДИКА АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗАБОЯХ РАЗНЫХ ФОРМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК У статті розроблена та викладена методика аналітичних досліджень напружено-деформо ваного стану масиву гірських порід поблизу забоїв плоскої, сферичної та конічної форми при проведенні гірських виробок THE METHODS OF ANALYTIC RECEARCHS OF DISTRIBUTION STRESSES IN THE DIFFERENT FORMS FACES CONDUCTING THE MINING WORKINGS The methods of analytic recearchs of stressed and deformated state of rock mass near the faces, which have flat, spherical and conical forms, conducting the mining workings 1. Краткий обзор и состояние вопроса. Интенсивное развитие механики горных пород, которое отвечало бы современным требованиям горного произ водства, немыслимо без опережающего развития теоретических методов иссле дования напряженно-деформированного состояния породного массива.

К настоящему времени выполнено большое число аналитических и экспе риментальных исследований, в которых в той или иной мере рассматривались вопросы построения полей напряжений в горных массивах. Существенный вклад в решение этой проблемы внесен советскими учеными А.Н. Динником, К.В. Руппенейтом, Ю.М. Либерманом, Г.Н. Кузнецовым, М.А. Слободовым, Г.Т. Нестеренко, С.А. Батугиным, И.А. Турчаниновым, Г.А. Крупенниковым, а также зарубежными учеными А. Геймом, Ж. Талобром, К. Терцаги, Г. Лиманом и другими.

Горные породы с точки зрения механики – объект сложный и противоречи вый. Будучи неоднородными в малом, они достаточно однородны в большом объеме, несмотря на наличие в их структуре газонасыщенных трещин и пор.

Поэтому в любой фиксированный момент времени в зависимости от рассмат риваемого объема для одной и той же литологической разности могут быть ис пользованы модели либо сплошной гетерогенной газонасыщенной или дис персной среды. Общие положения теории по исследованию напряженно деформированного состояния породного массива как двухфазной системы из ложены в работах Р.И. Нигматуллина [1], Л.П. Хорошуна и Ю.Н. Подильчука [2]. Полученные на основе таких подходов аналитические зависимости для компонент тензора напряжений и системы разрешающих дифференциальных уравнений при заданных начальных и граничных условиях будут замкнутыми только при известных характеристиках твердой и газовой фаз, а также характе ристик пористого скелета, определяемых экспериментально или теоретически из представления состава и структуры скелета породы. Вместе с тем, усложне ние модели породного массива приводит к значительным затруднениям в дове Выпуск № дении задач до инженерных решений, а корректировка результатов путем вве дения гипотез о поведении горных пород – к необходимости применения раз личного рода эмпирических коэффициентов, физическая сущность которых и методы их определения зачастую остаются необъяснимыми.

Современные технологии проведения выработок в газонасыщенном горном массиве включают его дегазацию. Это обстоятельство позволяет упростить мо дель и свести исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород к решению методами теории деформируемого твердого тела гра ничных задач, совершенно аналогичных по постановке соответствующим зада чам для анизотропной упруго-деформируемой среды, решаемым при отсутст вии в массиве трещин и пор. В общем случае анизотропии физико механические свойства среды характеризуются 21 константой.

Вместе с тем, как показано [3, 4], в зависимости от взаимной ориентировки сети трещин породный массив может рассматриваться как анизотропная среда, деформируемость которой описывается девятью или пятью, реже тринадцатью упругими постоянными. Так, для слоистых осадочных пород, гранитов, некото рых эффузивов и пирокластических преобразований наиболее распространен ными являются системные и полигональные типы сети трещин. Породный мас сив с системной сетью трещин может рассматриваться как ортотропная (девять упругих констант), а массив с полигональной сетью трещин – как трансвер сально-изотропная среда (пять упругих констант).

При более сложном распределении ориентировки трещин, породный массив рассматривается как анизотропная среда, деформируемость которой может быть описана тринадцатью упругими константами.

Если установлено, что тип сети трещин представлен трещинами неупорядо ченной ориентировки (хаотические сети), то породный массив с такой сетью трещин может рассматриваться как изотропная среда [5].

Так как характер проявления горного давления представляет собой нераз рывный процесс упругого деформирования и последующего разупрочнения массива горных пород, то многие исследования в области горной геомехани ки описывались методами теории упругого или упругопластического дефор мируемого твердого тела, теории накопления повреждений или предельного равновесия и др. Среди этих методов, принципиально применяемых для опи сания напряженно-деформированного состояния горного массива, наиболь шее практическое применение получили методы теории упругого и упруго пластического деформируемого тела. Это обусловлено тем, что информация о характере напряженно-деформированного состояния уже на стадии упругого деформирования предоставляет возможность разработать методы управления горным давлением на последующих стадиях деформирования и разрушения массива горных пород. Основными типами граничных задач геомеханики яв ляются задачи по исследованию напряженно-деформируемого состояния мас сива конечных размеров и задачи концентрации напряжений в окрестности капитальных, подготовительных и очистных выработок. В качестве основных в этой области выступают прямые численные методы, метод теории функций "Геотехническая механика" комплексного переменного [6], метод интегральных уравнений [7, 8], методы суперпозиции и однородных решений [9-12].

Первые исследования напряженного состояния горного массива с горизон тальной выработкой, выполненные в рамках плоской задачи механики де формируемого твердого тела, отражены в работах А.И. Динника, А.Б. Морга евского, Г.Н.Савина [13]. Впоследствии Г.Н.Савин, обобщил формулы А.И.

Динника на случай ортотропного массива. Существенный вклад в изучение распределения напряжений вокруг выработок в анизотропном горном массиве внесли С.Г.Лехницкий [14] и А.С. Космодамианский [15-17], который также разработал эффективный подход к решению упругопластических задач для массива, ослабленного рядом круговых выработок.

Л.А.Галин в работе [18] построил точное аналитическое решение задачи об упругопластическом распределении напряжений в плоскости с круговым отверстием. Проявления горного давления, в окрестности очистной выработ ки исследовалось в работах С.Г. Михлина [19], С.А. Христиановича, Г.И. Ба ренблата [20], С.В. Кузнецова [21-23], Д.И. Шермана [24].

Наиболее полные исследования напряженно-деформированного состояния породного массива при отработке пластов в угледобывающих шахтах выпол нены в работе [25]. Здесь, методом функций комплексного переменного рас смотрены задачи о напряженно-деформированном состоянии анизотропного породного массива, содержащего очистную выработку как в случае пологих так и крутопадающих пластов, установлены основные закономерности де формирования в зависимости от скорости подвигания забоя.

В этих работах изложен анализ широкого круга граничных задач геомеха ники в двумерной постановке, который отражает сложившийся к настоящему времени уровень понимания ряда аспектов деформирования породного мас сива, содержащего выработки различной формы. Следует отметить, что гипо теза о двумерном напряженно-деформируемом состоянии вокруг горных вы работок приемлема лишь в случаях протяженных капитальных и подготови тельных выработок, когда проходка их уже завершена, либо рассматриваемое сечение находится на достаточно большом расстоянии от фронта ведения горных работ [26].

В зоне ведения горных работ и местах сопряжения горных выработок на блюдается повышенная концентрация напряжений, что приводит ко все более настоятельной необходимости учета пространственного напряженно деформируемого состояния горного массива. Последнее, как выясняется [27], зачастую предстает в качестве фактора, впоследствии существенно влияюще го не только на устойчивость горных выработок, но и на динамические про явления горного давления. Поэтому основной задачей, на которой сосредото чены в последние годы усилия ученых, связанных с практическим примене нием механики твердого деформируемого тела, является разработка методов исследования напряженно-деформированного состояния в трехмерной поста новке. В монографии [28] А.Н. Гузь разработал теорию и исследовал в рамках статического подхода отдельные классы задач устойчивости выработок с уче Выпуск № том упругих и упругопластических свойств горных пород, основанную на не линейной и линеаризированной механике деформируемого твердого тела. В отличие от принятого в нормативных документах определения термина ус тойчивости горных выработок, как меры деформированности горных пород, определяемой в рамках различных вариантов линейной механики, в указан ной работе рассматривается устойчивость состояния равновесия контура гор ных выработок, когда наряду с основной невозмущенной формой равновесия породного массива возможно существование смежного равновесного состоя ния при одной и той же внешней нагрузке. Явление потери устойчивости в этой работе предлагается рассматривать в качестве интегрального критерия прочности сильно сжатых участков горных пород с большими градиентами вектора напряжений. Отмечено, что при применении такого критерия неточ ности постановочного характера, которые имеют место при решении кон кретных задач, в меньшей мере оказывают влияние на конечный результат, чем при применении локальных критериев прочности горных пород. Переход из одного равновесного состояния в другое сопровождается развитием боль ших перемещений и деформаций в приконтурной зоне выработки. В работе И.Ю.Бабича, А.Н.Гузя [29] указано, что это явление может послужить причи ной возникновения различных нежелательных горных явлений (внезапных выбросов, горных ударов и т.д.). В работе А.Н. Гузя, В.Н. Чехова [30] в ана логичной линеаризированной постановке развита трехмерная теория складко образования в слоистой толще горных пород. В работах А.Ф.Булата, В.Н.Чехова [31, 32] дана постановка и предложен подход к исследованию трехмерных линеаризированных задач устойчивости горных пород в приза бойной части очистной выработки на больших глубинах залегания полезных ископаемых. Рассмотрено два класса задач:

- об устойчивости угольного пла ста при действии сжимающего опорного давления переменного характера;

об устойчивости пород почвы и кровли в призабойной зоне при действии вдоль простирания слоев сжимающих тектонических нагрузок и, направлен ной в ортогональном направлении, реакции взаимодействия крепи с пород ным массивом.

Некоторые пространственные задачи для анизотропного и газонасыщенного массива горных пород рассмотрены Ю.Н. Подильчуком [33].

Вместе с тем следует отметить, что изучением закономерностей распреде ления напряжений и разработкой способов их изменения в забоях различных форм применительно к устойчивости выработок практически никто не зани мался. Поэтому большое число практически важных вопросов, связанных с формой и скоростью перемещения обнажений при проходке горных выработок остаются открытыми и требуют проведения аналитических исследований в точной трехмерной постановке. Целью настоящего исследования является раз работка методики и решение геомеханических задач по определению парамет ров пространственного напряженно-деформированного состояния массива гор ных пород в зависимости от формы поверхности забоя и скорости перемещения обнажений в процессе проведения подготовительных выработок на глубоких "Геотехническая механика" горизонтах угольных шахт.

2. Постановка задачи и основные соотношения механики упруго деформируемого твердого тела. Экспериментальные исследования, выпол ненные в 80-е годы ХХ века показали, что с увеличением глубины разработки в породном обнажении имеет место искусственная трещиноватость хаотической ориентации. Анализ полученных данных показал, что искусственная трещино ватость массива горных пород наблюдается на расстоянии от контура выработ ки до 7,0-7,2 м [34].

Это позволяет существенным образом упростить механическую модель по родного массива и рассматривать исследуемый процесс его деформирования в рамках изотропного упруго-деформируемого тела.

Начальные напряжения нетронутого массива горных пород будем характе ризовать следующими компонентами [35]:

(yy ) = y ;

xx ) = yy ) ;

zz0 ) = yy ), 0 (0 (0 ( ( (1) где yy ), xx ), zz0) - компоненты тензора напряжений;

(0 (0 ( - коэффициент бокового распора;

y - глубина рассматриваемой точки массива (Рис. 1).

Рассмотрим напряженно-деформируемое состояние массива горных пород, вмещающего горизонтальную цилиндрическую выработку радиуса h, один из _ торцов которой z = a может подвигаться с некоторой скоростью положитель _ ном направлении оси выработки z.

Рис. 1 – Распределение начальных напряжений в массиве горных пород В процессе решения задачи будем пользоваться цилиндрической системой _ _ _ координат ( r, 1, z ), начало которой z = 0 возьмем на равном удалении a от ли нии забоя подготовительной выработки и ее сопряжения с другой выработкой (Рис. 2). При этом чтобы исключить взаимовлияние торцов выработки на ха рактер напряженно-деформированного состояния в окрестности каждого из них Выпуск № будем считать, что полудлина выработки a h.

Обнаженную поверхность забоя полусферической формы будем описывать при помощи сферических координат R и.

Начальные напряжения (1) в цилиндрической системе координат примут вид:

rr0 ) = ) = H ;

zz0) = 0H ;

rz = 0, ( (0 ( (2) где H - глубина от земной поверхности до оси подготовительной выработ ки;

- объемный вес толщи горных пород;

0 - коэффициент бокового распора.

Как видно, напряжения в массиве горных пород симметричны относительно _ оси вращения z и не зависят от угловой координаты 1.

При проведении горной выработки полные напряжения r = rr H ;

= H ;

(2.3) z = zz 0H ;

rz = rz, где rr,, zz и rz - дополнительные нормальные и касательные напря жения, обусловленные проведением горной выработки.

При отсутствии крепи полные напряжения на контуре и торце выработки равны нулю, а дополнительные определяются из формул (3).

Изменением начальных напряжений по высоте выработки можно пренеб речь, тогда дополнительные напряжения на контуре выработки:

_ при r = h ;

a z a rr = H ;

rz = 0. (4) На поверхности забоя:

а) плоская форма:

_ z =a;

0rh zz = 0H ;

rz = 0 (5) б) Сферическая форма 0 /2;

"Геотехническая механика" h 0 = arctg _ z а) плоская форма поверхности забоя;

б) сферическая форма поверхности забоя;

с) коническая форма поверхности забоя.

Рис. 2 – Расчетная схема:

Выпуск № rr sin + rz cos _ = H sin ;

r = sin _ z = a + h cos (6) rz sin + zz cos _ = 0 H cos ;

r = h sin _ z = a + h cos с) Коническая форма a z a + z0 ;

rr sin rz cos _ = 0H sin ;

r = ( z 0 + a z )tg (7) rz sin zz cos = H cos.

r = ( z 0 + a z )tg Задача состоит в определении и исследовании напряженно деформированного состояния углепородного массива в призабойной зоне с це лью выявления основополагающих механических закономерностей, обеспечи вающих эффективное и безопасное проведение горных выработок.

Следует отметить, что в трехмерной постановке геомеханических задач, аналогичных со сформулированными выше, рассмотрено небольшое число ра бот. Как отмечено в [36], анализ напряженного состояния выполнялся лишь для упругого слоя и полупространства с цилиндрическим отверстием. Основная сложность при решении задач о напряженно-деформированном состоянии кон тинуума, содержащего цилиндрическую полость, состоит в том, что при ис пользовании известных решений [37, 38, 39] уравнений равновесия в цилинд рической системе координат нет возможности непосредственно удовлетворять граничным условиям на боковой поверхности и торцах цилиндрической полос ти.

Так, например, в работе Васильева В.З. [40] задача о напряженном состоя нии упругого полупространства вблизи торца цилиндрической выемки сведена к решению сложной контактной задачи для полупространства и слоя с цилинд рической полостью.

Дальнейшие исследования будем осуществлять, введя подвижную систему = = координат ( r, z ), которая связана с неподвижной системой известным преобра зованием Галилея "Геотехническая механика" = = _ _ z = z t ;

r = r.

В этом случае уравнения динамического равновесия массива горных пород [39] примут следующий вид:

2U z 2 1 2 _ 1 r 2 + r r r 2 + 1 z 2 U r + 2(1 ) rz = 0 ;

(8) 1 2 2 _ r + r U r + (1 2 ) r 2 + r + 2 z 2 U z = 0, z = = где r и z - безразмерные координаты, r = r h 1 ;

z = z h 1 ;

h - радиус цилиндрической полости;

U r и U z - компоненты вектора перемещений соответственно в направлениях _ _ r и z;

- коэффициент Пуассона;

1 2 2(1 ) _ _ = к1 ;

22 = к2 ;

2 2 2(1 ) 1 2 (1 + )(1 2 )h 2 2 2 (1 + )(1 2 )h к12 = ;

к 22 =, (1 ) E E E - модуль Юнга;

- плотность;

- скорость подвигания забоя.

Нормальные и касательные напряжения rr, zz и rz с помощью функций перемещений выражается так U r U r U z U r U z Ur rr = q0 ;

11 = q + r + z r + z + r ;

r 1 (9) U r U r U z U r U z zz = q0 z ;

rz = q1 z + r ;

+ + 1 r r 1 Eh Eh 1 ;

q1 = q0 =.

2(1 + ) (1 + )(1 2 ) Таким образом, для реализации сформулированной выше проблемы необхо димо в первую очередь провести комплекс теоретических по разработке мето дики уравнений равновесия упруго-деформируемого тела в цилиндрической системе координат с тем, чтобы в процессе исследования поля напряжений в Выпуск № окрестности забоя выработки использовать уже известные способы решения граничных задач механики упруго-деформируемого твердого тела.

3. Интегрирование уравнений динамического равновесия. Известные общие решения уравнений динамического равновесия в цилиндрической сис теме координат, где компоненты вектора упругих смещений выражаются через функции, удовлетворяющие скалярным волновым уравнениям [39, 41, 42], не обеспечивают необходимый функциональный произвол для удовлетворения граничных условий на боковой поверхности (4) и торцах горной выработки (5, 6).

В связи с этим необходимо разработать подходы к решению уравнений ди намического равновесия (8) в форме, позволяющей строго удовлетворять крае _ вым условиям на боковой поверхности r = h и на торцах в процессе проведения горной выработки.

Решение системы уравнений (8) будем искать в форме:

a b 1 b a r + r z, ;

Uz = Ur = (10) 1 c r 1 b z где ( r, z ) и ( r, z ) - некоторые функции;

, a, b, с – произвольные постоянные.

Подставив выражения (10) в уравнения (8) и сделав соответствующую пере группировку слагаемых, получим следующую систему дифференциальных уравнений:

1 + 1 L12 = 0 ;

2L21 + 2 L22 = 0, r + r (11) L11 r z z где Lij ( i, j = 1, 2) – дифференциальные операторы второго порядка.


b a 1 2 1 2 2 1 2 12 2 ;

2 12 L11 = + L12 = + ;

1 b r 2 r r r z r 2 r r r z 2 1 2 2 1 22 2 ;

2 02 1 2 ;

L21 = + L22 = + r 2 r r z r 2 r r r z 1 1 12 = + к12 ;

22 = к2 ;

1 a b b a a b 1 = ;

2 = (1 2 ) ;

2(1 ) 1 c 1 b 1 c b a a b 0 = (1 2 ) 22.

1 b 1 c "Геотехническая механика" Полагая 12 (1 b) [1 c + 12 (1 b)] c= ;

a=b ;

2 [2 12 ± (2 12 ) 2 4 12 ( 12 ) ] ;

12 1,1612, b1, 2 = 2 уравнения (11) представим в таком виде L111 = 0 ;

L122 = 0 (12) где обозначено 1 = + 1 ;

2 = 2 + r + r. (2.13) r z r Решение уравнений (2.12) находим, воспользовавшись методом Фурье [43] 1 = A11 ( ) J 1 ( 1r ) + B11 ( )Y1 (1r ) exp( i0z )d ;

(14) 2 = A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + B22 ( )Y0 ( 2 r ) exp( i0z )d, где A jj ( ) и B jj ( ) ( j =1, 2) – произвольные функции аргумента ;

i0 = 1 ;

J n ( j r ) и Yn ( j r ), ( n =0, 1;

j =1, 2)- функции Бесселя n -го порядка соответ ственно первого и второго рода.

Внося выражения (14) в равенства (13), получим следующую систему неод нородных дифференциальных уравнений 1 + 1 A11 ( ) J 1 (1r ) + B11 ( )Y1 (1r ) exp( i0z )d ;

= z r (15) 1 2 + r + r = A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + B11 ( )Y0 ( 2 r ) exp( i0z )d.

r Поочередно исключая в (15) функции и и учитывая следующие свойст ва функций Бесселя [44] Выпуск № 1 J 1 (r ) = J 0 (r ) r J 1 (r ) ;

r Y1 (r ) = Y0 (r ) r Y1 (r ) ;

r J 0 (r ) = J 1 (r ) ;

r Y0 (r ) = Y1 (r ), r приходим к двум неоднородным дифференциальным уравнениям относительно искомых функций ( r, z ) и ( r, z ) 2 1 2 1 2 = 1 A11 ( ) J 0 (1r ) + 1 B11 ( )Y0 (1r ) + r 2 r r 2 z 2 1 i0 A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + B22 ( )Y0 ( 2 r ) exp( i0z )d 2 (16) 2 2 1 1 2 2 1 2 = A22 ( ) J 1 ( 2 r ) + B22 ( )Y1 ( 2 r ) + + r 2 r r r 2 z 2 2 + i0 0 A11 ( ) J 1 ( 1 r ) + B11 ( )Y1 (1 r ) exp( i0z )d.

2 Решение этих уравнений, как известно, разыскивается в виде суммы = = _ _ = + ;

= +, (17) = = _ _ где обозначено и - общие решения однородных, а и - частные ре шения соответствующих неоднородных уравнений (2.16).

Однородные решения находим, как и выше методом разделения перемен ных, а неоднородные решения возьмем в такой форме 1 1 = = A11 ( ) J 0 (1r ) + B11 ( )Y0 (1r ) 2 2 3 1 1 i0 1 A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + B22 ( )Y0 ( 2 r ) exp( i0z )d ;

2 ( ) 2 3 (18) = = A22 ( ) J 1 ( 2 r ) + B22 ( )Y1 ( 2 r ) + 2 2 ( 3 2 ) 2i0 A11 ( ) J 1 (1r ) + B11 ( )Y1 (1r ) exp( i0z )d.

+ 2 ( 3 1 ) "Геотехническая механика" В результате аналитические зависимости для функций и, описываемых уравнениями (16), запишем в таком виде 1 1 = A11 ( ) J 0 (1r ) + B11 ( )Y0 (1r ) 2 2 3 1 i0 11 A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + B22 ( )Y0 ( 2 r ) + 2 ( 3 K 2 ) + A12 ( ) J 0 ( 3 r ) + B12 ( )Y0 ( 3r ) exp( i0z )d ;

(19) = A22 ( ) J 1 ( 2 r ) + B22 ( )Y1 ( 2 r ) + 2 2 ( 3 2 ) 2i A11 ( ) J 1 (1r ) + B11 ( )Y1 (1r ) + 2 ( 3 1 ) [ A21 ( ) J 1 ( 3 r ) B21 ( )Y1 ( 3 r )] exp( i0z )d ;

3 = 21 / 2.

Принимая во внимание особенности поведения функций Бесселя первого и второго рода, окончательные выражения для искомых функций перемещений U r и U z запишем на основании формул (10) и (19) Re 3 A11 ( ) J 1 ( 1r ) + i04 A22 ( ) J 1 ( 2 r ) + Ur = 2 b a + 3 A12 ( ) J 1 ( 3 r ) + i0 A21 ( ) J 1 ( 3 r ) exp( i0z )d ;

1 b b a 1 3 = 122 2 2 ( 3 1 ) ;

2 1 b b a 1 4 = 2 1 + 2 ( 3 1 ) ;

2 1 b (20) Re i05 A11 ( ) J 0 (1r ) + 6 A22 ( ) J 0 ( 2 r ) + Uz = 2 a b + 3 A21 ( ) J 0 ( 3 r ) i0A12 ( ) J 0 ( 3 r ) exp( i0z )d ;

1 c Выпуск № a b 1 5 = 1 2 2 1 ( 3 12 ) 1 ;

1 c a b 1 6 = 1 22 2 ( 3 12 ) 1.

1 c Следует отметить, что за счет выбора констант и b ( 12 1,1612 ) най денные решения уравнений динамического равновесия (8) имеют достаточный функциональный произвол для решения сформулированных выше граничных задач механики горных пород.

Аналитические зависимости для компонент тензора напряжений получаем при помощи формул (8) и (20).

1 2 q rr = Re A11 ( ) 3 J 1 (1r ) 13 5 J 0 (1r ) + 2 r 1 1 2 + i0 A22 ( ) 4 J 1 ( 2 r ) 24 + 6 J 0 ( 2 r ) + r 1 1 2 + A12 ( ) 3 J 1 ( 3 r ) 32 + J 0 ( 3 r ) + r 1 b a 1 2 a b b a + i0 A21 ( ) J 1 ( 3r ) 3 J 0 ( 3 r ) exp( i0z )d ;

1 c 1 + 1 b 1 b (1 )r (21) 1 q = Re A11 ( ) 3 J 1 (1r ) + 13 5 1 J 0 (1r ) + 2 r 1 2 = i0 A22 ( ) 4 J 1 ( 2 r ) + 4 2 + 6 J 0 ( 2 r ) + r 1 1 1 2 2 + A12 ( ) 3 J 1 ( 3 r ) + 3 + 1 J 0 ( 3 r ) + i0 A21 ( ) r 1 1 b a 1 2 a b b a J 1 ( 3 r ) + 3 J 0 ( 3 r ) exp( i0z )d ;

+ 1 c 1 b 1 b (1 ) r 1 q zz = Re A11 ( ) 13 5 J 0 (1r ) 2 i0A22 ( ) 24 + 6 J 0 ( 2 r ) + A12 ( ) 2 32 + 1 J 0 ( 3 r ) + 1 b a a b + i0 A21 ( ) 2 3 J 0 ( 3 r ) exp( i0z )d ;

+ 1 1 b 1 c "Геотехническая механика" q rz = Re i0 A11 ( ) 3 5 1 J 1 (1r ) + 2 + A22 ( ) 4 6 2 J 1 ( 2 r ) + 2i0 A12 ( ) 2 3 J 1 ( 3 r ) + b a a b + A21 ( ) 2 32 J 1 ( 3 r ) exp( i0z )d.

1 b 1 c Далее, внося соответствующие аналитические зависимости компонент тен зора напряжений (21) в условиях на контуре выработки (4)-(6), определение не известных функций Aij ( )(i, j = 1,2) и вычисление неопределенных интегралов (21) осуществляется по стандартным схемам решения граничных задач метода ми интегральных преобразований [8, 41, 43].

ЛИТЕРАТУРА 1. Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. – М.: Наука, 1978. – 278 с.

2. Хорошун Л.П., Подильчук Ю.Н. О представлении уравнений статики двухкомпонентных смесей // Прикл. Механика. – 1981. – Т. 17, № 4. – С. 16-23.

3. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. – М.: Наука, 1968.

4. Справочник физических констант горных пород / Под ред. С.Кларка. – М.: Мир, 1969. – 542 с.

5. Руппенейт К.В. Деформируемость трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1975. – 224 с.

6. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. – М.: Наука, 1966. – 707 с.

7. Снеддон И. Преобразования Фурье. – М.: Изд-во иностр. лит., 1955. – 667 с.

8. Уфлянд Я.С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. – Л.: Наука, 1967. – 402 с.

9. Гринченко В.Т., Улитко А.Ф. Пространственные задачи теории упругости и пластичности. – Киев, Наук.

думка, 1985. – Т. 3. – С. 280.

10. Байда Э.Н. Некоторые пространственные задачи теории упругости. – Л.: Изд-во Ленингр. университета, 1983. – 231 с.

11. Прокопов В.К. Обзор работ по однородным решениям теории упругости и их приложениям // Тр. Ле нингр. политехн. ин-та. – 1967. – № 279. – С. 31-46.

12. Космодамианский А.С. Пространственные задачи теории упругости для многосвязных пластин // Прикл. Механика. – 1983. – 19, № 12. – С. 3-21.

13. Динник А.Н., Моргаевский В.Б., Савин Г.Н. Распределение напряжений вокруг подземных горных вы работок // Труды совещания по управлению горным давлением. – М.-Л.: АН СССР, 1938. – С. 7-55.

14. Лехницкий С.Г. Анизотропные пластинки. – М.-Л.: Гостехиздат, 1947. – 335 с.

15. Космодамианский А.С. Плоская задача теории упругости для пластин с отверстиями, вырезами и вы ступами. – Киев: Вища школа, 1975. – 225 с.

16. Космодамианский А.С. Напряженное состояние анизотропных сред с отверстиями или полостями. – Киев-Донецк: Вища школа, 1976. – 200 с.

17. Космодамианский А.С., Шалдырван В.А. Толстые многосвязные пластины. – Киев: Наук. думка, 1978.

– 240 с.

18. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. – М.: Наука, 1980. – 380 с.

19. Михлин С.Г. О напряжениях в породе над угольных пластом. – Изв. АН СССР, отдел техн. Наук. – 1942. – № 7-8. – С. 13-29.

20. Христианович С.А. Механика сплошной среды. – М.: Наука, 1981. – 483 с.

21. Кузнецов С.В. Некоторые закономерности и соотношения, определяющие посадку лавы // Физ.-техн.

пробл. разраб. полезн. Ископаемых. – 1965. – № 5. – С. 3-19.

22. Кузнецов С.В. Влияние касательных напряжений на контактной поверхности пласта и породы на на пряженное состояние горного массива // Физ.-техн. пробл. разраб. полезн. Ископаемых. – 1969. – № 5. – С. 10 20.

23. Кузнецов С.В. Общие закономерности, характерные особенности перераспределения напряжений в массивах горных пород при развитии выработанного пространства // Физ.-техн. пробл. разраб. полезн. Иско паемых. – 1988. – № 6. – С. 18-31.

Выпуск № 24. Шерман Д.И. Упругая весомая полуплоскость, ослабленная отверстием эллиптической формы, доста точно близко расположенным от ее границы // Пробл. механики сплошной среды. – М.: Изд-во АН СССР, 1961.

– С. 527-563.

25. Булат А.Ф., Витушко О.В., Гоман О.Г. Напряженно-деформированное состояние анизотропного пород ного массива при отработке угольных пластов. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 2000. – 216 с.

26. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. – Киев: Наук. думка, 1968. – 888 с.

27. Гузь А.Н. О задачах устойчивости в механике горных пород // Проблемные вопросы механики горных пород. - Алма-Ата: Наука, 1972.


28. Гузь А.Н. Основы теории устойчивости горных выработок. – Киев: Наук. думка, 1977. – 204 с.

29. Бабич И.Ю., Гузь А.Н. Потеря устойчивости, как возможный механизм образования выбросов // Прикл.

механика. – 1977. – 13, № 5. – С. 19-23.

30. Гузь А.Н., Чехов В.Н. Линеаризированная теория складкообразования в толще земной коры // Прикл.

механика. – 1975. – № 1. – С. 3-17.

31. Булат А.Ф., Чехов В.Н. Задачи устойчивости боковых пород при отработке угольных пластов на боль ших глубинах // Прикл. механика. – 1992. – № 12. – С. 24-31.

32. Булат А.Ф., Чехов В.Н. Трехмерные задачи устойчивости боковых пород в окрестности очистной выра ботки при управлении НДС массива // Прикл. механика. – 1994. – № 8. – С. 42-48.

33. Подильчук Ю.Н. Пространственные задачи механики горных пород. – Киев: Наук. Думка, 1983. – 158 с.

34. Усаченко Б.М., Кириченко В.Я., Шмиголь А.В. Охрана подготовительных выработок глубоких гори зонтов шахт Западного Донбасса. – М.: ЦНИЭИ уголь, 1992. – 168 с.

35. Крупенников Г.А. и др. Распределение напряжений в породных массивах. – М.: Недра, 1972. – 143 с.

36. Гринченко В.Т. Равновесие и установившиеся колебания упругих тел конечны размеров. – Киев: Наук.

думка, 1978. – 264 с.

37. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. – М.: Наука, 1977. – 415 с.

38. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. – М.: Гостехиздат, 1955. – 491 с.

39. Ляв А. Математическая теория упругости. – М.-Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1935. – 674 с.

40. Васильев В.З. Напряжения в упругом изотропном полупространстве вблизи торца вертикальной цилин дрической выемки // Прикл. механика. – 1967. – 3, 7. – с. 107-117.

41. Снеддон И. Преобразования Фурье. – М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1955. – 668 с.

42. Перепелица В.Г., Коломиец А.Н., Шматовский Л.Д. Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии горного массива при его гидроразрыве [Текст] // Доповіді НАН України. – 2006. - № 12. – С. 44-51.

43. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физи ки. – М.: Высшая школа, 1970. – 708 с.

44. Ватсон Г.Н. Теория Бесселевых функций. – М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1949. – 798 с.

"Геотехническая механика" УДК 622.831.332:551. Круковская В.В.

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ УГЛЯ И ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ МЕТАНА НА ФРОНТЕ ВЫБРОСА Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнту проникності вугілля та пара метрів течії метану на фронті викиду.

CHANGE OF COAL PERMEABILITY AND PARAMETERS OF THE METHANE FLOW AT THE OUTBURST FRONT Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single open ing is executed. Change of distributions of coal permeability coefficients and parameters of methane flow at the outburst front is analyzed.

Выбросы угля, породы и газа представляют собой сложное природное явле ние, возникающее в шахтах в результате нарушения горными работами равно весного состояния напряженного газонасыщенного массива [1]. Одним из ме тодов его изучения является имитационное компьютерное моделирование фи зических процессов, основанное на численном решении системы уравнений, которые описывают данное явление.

Рассмотрим процесс течения газа в трещиновато-пористой среде, которая деформируется под действием сил горного давления во время проведения оди ночной горной выработки. Нестационарное напряженно-деформированное со стояние породного массива в окрестности горной выработки, проницаемость среды и нестационарное изотермическое движение газа в нарушенном массиве описываются системой уравнений [2]:

2 ui ij, j + X i (t ) + Ti (t ) + P(t ) = п 2, i, j = x, y;

t µ г p p µ p + k ( ij, t ) + k ( ij, t ) + г q(t ) = 0;

y г г t x x y k = k техн + k тект ;

(1) 0 при Q 0,7;

k при 0,7 Q 0,8;

min k техн ( ij, t ) = (t ) 3 (t ) 4, 2, 58 2 (t ) f ( ij, t ) = e при Q 0,8;

k max при P 0,1;

где ij, j - производные от компонент тензора напряжений по x, y;

t - время;

X i (t ) - внешние силы;

Ti (t ) – силы, вызванные внутренним трением, Ti (t ) = c g u i t ;

сg – коэффициент демпфирования, определяемый экспери Выпуск № ментально;

u i - перемещения;

P(t ) - сила давления газа;

п - плотность поро ды;

г - плотность газа;

µ г - вязкость газа;

p - его давление;

q (t ) - интенсив ность источников газовыделения;

k - полное поле коэффициентов проницаемо сти пород;

k техн - технологическая проницаемость, вызванная перераспределе нием поля напряжений в результате проведения горной выработки;

k тект ( x, y ) начальная, тектоническая проницаемость, которая развивается в углях в резуль тате тектонических процессов и является основным фактором их выбросоопас ности;

Q = ( 1 3 ) H и P = 3 H - геомеханические параметры.

Для математического описания процесса перехода горных пород в нару шенное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое учи тывает возможность возникновения разрушения, как в результате сдвига, так и в так и в результате отрыва [3, 4].

Начальные и граничные условия:

yy = h;

t = xx = h;

t = zz = h;

t = p t =0 = 0,8 воды h;

p (t ) = 0,8 воды h;

(2) p = p v ;

p v = 0,1 МПа;

k тект = f ( x, y );

= 0;

ux = 0;

uy где - усредненная плотность вышележащих горных пород;

h - глубина разра ботки;

- коэффициент бокового распора;

воды - плотность воды;

1 (t ) - изме няющаяся во времени граница области фильтрации;

2 - внутренний контур (выработка);

3 - вертикальные границы внешнего контура;

4 - горизонталь ные границы внешнего контура;

pv - давление воздуха в выработке.

Чтобы получить решение системы (1) на определенном временном проме жутке, применяется конечно-разностный метод. При этом считается, что в на чальный момент времени t = 0 распределение напряжений и давления задано, и для достаточно малых значений t с помощью итерационных соотношений [5] получаем распределение напряжений, давления метана, скоростей его течения и расходов на момент времени t + t. Этот процесс продолжается от исходного состояния до любого текущего момента времени.

"Геотехническая механика" Расчеты проводятся с применением метода конечных элементов. Шаг по времени составляет 0,1 с.

Рассмотрим случай, когда забой выработки высотой 3 м находится на рас стоянии 7,75 м от тектонического нарушения типа «сброс» с амплитудой сме щения 1 м (рис. 1), вокруг которого находится десятиметровая зона перемятого угля. Мощность угольного пласта 1,5 м, глубина проведения выработки – м. Газоносность угля – 20 м3/т, содержание метана в свободной форме – 10 %, в сорбированной – 90 %. Вмещающая порода – аргиллит.

Рис. 1 – Центральный фрагмент конечно-элементной сетки При выполнении расчета получим распределение геомеханических и фильтрационных параметров в различные моменты времени. На рис. 2 показа ны изобары относительного давления метана вокруг выработки и рост полости выброса во время протекания динамических процессов.

Время протекания динамического процесса – 11 с. На первых секундах про исходит инициация выброса;

в интервале 2-10 с – собственно процесс выброса, на 10-11 с – его затухание. В течение этого времени давление метана в уголь ном пласте вблизи выработки быстро падает, градиенты давления и скорость течения метана принимают очень высокие значения, проницаемость угля стре мительно растет – происходит вынос угля и образование полости в угольном пласте (рис. 2, а-д), длина которой достигает 6,5 м при данных условиях. Затем рост полости останавливается (рис. 2, е), скорости течения метана падают, дав ление метана в угольном пласте продолжает медленно снижаться – геомехани ческие процессы и процесс течения газа возвращаются к квазистационарному режиму.

Рассмотрим, как изменяется проницаемость угля, рис. 3, давление, рис. 4, расход, рис. 5, и скорость течения метана, рис. 6, на фронте выброса в течение всего процесса.

Выпуск № а) б) в) г) д) е) а) t = 2 c;

б) t = 4 c;

в) t = 6 c;

г) t = 8 c;

д) t = 10 c;

е) t = 12 c Рис. 2 – Рост длины полости выброса и относительное давление метана ( p / p 0 ) "Геотехническая механика" а) б) Рис. 3 – Характер изменения проницаемости угля на фронте выброса в различные моменты времени в зависимости от расстояния до а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса По кривым проницаемости, рис. 3, б, отчетливо прослеживается деление процесса на стадии инициирования (самая темная кривая, t = 0,2 c), протекания (кривые t = 2-10 c) выброса и его затухания (светлые кривые t 10 c). Также видно, что значительное – в 5-9 раз – увеличение фоновой проницаемости про исходит на расстоянии 0,1-0,3 м от свободной поверхности фронта выброса, что подтверждается данными экспериментальных наблюдений [6].

Давление метана, рис. 4, б, в течение основного времени протекания процес са (t = 2-10 c) резко падает с 8 МПа в глубине массива до 0,1-2 МПа на свобод Выпуск № ной поверхности полости выброса. Причем такое резкое падение давления про исходит на расстоянии всего лишь 0,15 м. Это говорит об огромной величине градиентов давления метана на этом промежутке, которые обуславливают раз витие скоростей течения метана, достаточных для разрыва расслоившегося угля на мелкие пластинки и выноса их на большие расстояния вглубь выработки.

На стадии затухания кривые давления метана при t = 12;

14 и 16 c заметно выполаживаются, величина градиентов давления метана уменьшается на поря док.

а) б) Рис. 4 – Изменение распределения давления метана в зависимости от расстояния до а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса в различные моменты времени "Геотехническая механика" Можно заметить, рис. 4, что давление метано-воздушной смеси внутри по лости выброса в течение процесса выброса увеличивается с 0,1 до 3 МПа. Это происходит из-за частичного или полного перекрытия поперечного сечения вы работки массой разрушенного угля, временного повышения давления воздуха в самой выработке. Изменение граничных условий – повышение давления метана на контуре полости выброса – является одним из условий затухания процесса выброса угля и газа, что отмечал и автор книги «Динамика выбросов угля, по роды и газа» [1] – докт. техн. наук, профессор Шевелев Г.А.

а) б) Рис. 5 – Расход метана по центральной оси выработки в зависимости от расстояния до а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса в различные моменты времени Выпуск № На рис. 5 показаны кривые расходов метана по центральной оси выработки в различные моменты времени. Причем положительные значения расходов озна чают приток метана за счет его десорбции, отрицательные – выход метана в ат мосферу выработки. Как видно из рис. 5, б, основной приток метана в трещин ное пространство угля, максимальная интенсификация десорбционных процес сов происходит на стадии протекания процесса выброса (t = 2-10 c) на расстоя нии 0,05-0,25 м от свободной поверхности. В атмосферу выработки максималь ное количество метана выделяется в этот же период времени.

а) б) Рис. 6 – Изменение скоростей течения метана в зависимости от расстояния до а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса в различные моменты времени "Геотехническая механика" На рис. 6 показано изменение скоростей течения метана в различные момен ты времени. Видно, что при инициировании выброса (t 2 c) происходит рост скоростей фильтрации, угол наклона кривых увеличивается и достигает макси мума на протяжении основной стадии процесса (кривые t = 2-10 c), на расстоя нии 0,1-0,25 м от поверхности полости выброса. На этапе затухания угол на клона кривых резко уменьшается, максимальная скорость течения метана на фронте выброса уменьшается в 6-7 раз.

Выводы. В результате анализа результатов численного моделирования про цесса выброса угля и метана в забое одиночной выработки показано, что - отчетливо прослеживается деление процесса на стадии инициирования, протекания выброса и его затухания;

- значительное увеличение фоновой проницаемости происходит на расстоя нии 0,1-0,3 м от свободной поверхности фронта выброса;

- давление метана в течение основного времени протекания процесса резко падает с 8 МПа в глубине массива до 0,1-2 МПа на свободной поверхности по лости выброса, на расстоянии 0,15 м;

градиенты давления метана на этом про межутке принимают большие значения, что обуславливает развитие скоростей течения метана, достаточных для разрыва расслоившегося угля на мелкие пла стинки и выноса их на большие расстояния вглубь выработки;

- давление метано-воздушной смеси внутри полости выброса увеличивается с 0,1 почти до 3 МПа из-за частичного или полного перекрытия поперечного сечения выработки массой разрушенного угля и временного повышения давле ния воздуха в самой выработке;

- основной приток метана в трещинное пространство угля, максимальная интенсификация десорбционных процессов происходит на стадии протекания процесса выброса на расстоянии 0,05-0,25 м от свободной поверхности, в атмо сферу выработки максимальное количество метана выделяется в этот же пери од времени;

- при инициировании выброса (t 2 c) происходит рост скоростей фильтра ции, угол наклона кривых увеличивается и достигает максимума на протяжении основной стадии процесса на расстоянии 0,1-0,25 м от поверхности полости выброса;

на этапе затухания угол наклона кривых резко уменьшается, макси мальная скорость течения метана на фронте выброса уменьшается в 6-7 раз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Шевелев Г.А. Динамика выбросов угля, породы и газа. – К: Наук. думка, 1989. – 160 с.

2. Круковская В.В. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием компьютерного моделирования //Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных по родах и выработках: Матер. XVII Межд. науч. школы. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. – С. 152-154.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. – М.: Недра, 1984. – 415 с.

4. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. – М.: Мир, 1969. – Т. 1. –648 с.

5. Круковская В.В. Решение объемной задачи нестационарной фильтрации метана из угольного пласта в выработку методом конечных элементов. // Геотехническая механика: Сб. научн. тр./НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск, 2007. - № 69. – С. 240-248.

6. Трифонова Н.В. О закономерностях изменения газодинамических параметров зоны разрушения в про цессе выброса. // Выбросы угля, породы и газа: Сб. научн. тр. /НАН Украины ИГТМ. – К.: Наукова думка, 1976. – С. 60-64.

Выпуск № УДК 622.023.623:622.411.332:681. С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук О ФОРМАХ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В УГЛЯХ Розглянуто деякі аспекти питання, присвяченого вивченню різних фазових станів метану та його вмісту у вугільних пластах.

ABOUT DIFFERENT METHANE’S FORMS IN COALS Some aspects of the question devoted to the study of the different phase methane states and it’s consist in coal seams.

Общие ресурсы метана в угольных пластах и пропластках угленосных от ложений Украины значительно превышают запасы природного газа. Данные о ресурсах шахтного метана, в частности, в Донбассе, основном угольном бас сейне Украины, характеризуются большим разбросом и отличаются в 20 раз.

В породах (углях) метан находится в трех состояниях: в виде свободного, сорбированнного (связанного) газа и твердого раствора. На современных глуби нах работ основное количество метана находится в сорбированном состоянии.

Различают формы связи газа с твердым веществом: адсорбцию (связывание мо лекул газа на поверхности твердого вещества под действием сил молекулярного притяжения), адсорбцию (проникновение молекул газа в вещество без химиче ского взаимодействия и образование «твердого раствора»), хемосорбцию (хими ческое соединение молекул газа и твердого вещества) и в виде гидратов метана.

Основное количество сорбированного породами метана находится в адсорбиро ванном состоянии. С повышением давления газа количество сорбированного ме тана увеличивается, с повышением температуры – уменьшается. Сорбционная способность углей при данной температуре зависит от давления газа и характе ризуется изотермами сорбции.

Явление сорбции обратимо. При нарушении равновесного состояния в сис теме газ-уголь (например, при снижении газового давления) происходит пере ход газа из сорбированного состояния в свободное. Процесс продолжается до тех пор, пока не наступит новое равновесное состояние в соответствии с кривой газоемкости (рис. 1) [1].

В естественном состоянии угольный пласт находится под большим давлени ем вмещающих пород. В порах и трещинах пласта устанавливается газовое дав ление, равное давлению метана, находящегося в свободном состоянии. Ему со ответствует определенное количество газа сорбированного углем.

Газовыделение начинает проявляться, как только угольный пласт попадает в зону влияния горных работ, и нарушается равновесие системы газ-уголь и соз даются условия, способствующие десорбции газа из угля. В общем случае кри вую изменения газовыделений после нарушения равновесного состояния (подра ботка, надработка, отбойка угля) можно представить в виде кривой (рис. 2).

Эта кривая разделяется на две части. После воздействия на равновесие сис темы газ-уголь вначале, в течение времени (tp), наблюдается рост газовыделе ния до некоторой величины (Imax), затем при отсутствии активного воздействия "Геотехническая механика" на равновесие системы – отмечается затухание интенсивности газовыделения во времени.

1,2 – кривые сорбции соответственно при температуре Т1 и Т2;

Р = Р1 – Р2 – изменение давления при нарушении равновесного состояния системы газ-уголь;

q = q1 – q2 – изменение сорбционной способности угля при изменении давления от Р1 до Р2 при постоянной температуре Т Рис. 1 – Графики качественного изменения сорбционной способности углей (q) в зависимости от давления (Р) и температуры (Т) [1] tp – время, в течение которого наблюдается рост газовыделений;

tз – время, в течение которого происходит затухание газовыделения;

Imax – максимальное газовыделение Рис.2 – Характерная кривая газовыделения (I) во времени (t) после нарушения равновесного состояния системы газ-уголь [2] Выпуск № Длительность первого периода (tp) зависит от характера и масштабов воз действия на угольный пласт. В конечном итоге он определяется технологией выемки угля. Например, при комбайновой выемке достижение максимума газо выделений происходит за 10-23 мин [2].

Величина максимальной интенсивности (Imax) зависит как от начальной га зоносности угля, так и от интенсивности выемки и размеров зон воздействия на угольный пласт.

Длительность затухания газовыделений (tз) зависит от свойств угля, техно логии его разрушения и условий залегания пластов.

Для создания безопасных условий в горных выработках важное значение име ют все три параметра, характеризующие газовыделения (Imax, tp, tз). Обычно со блюдается соотношение tp tз. Например, при отбойке угля буровзрывным спо собом tp составляет менее одной минуты [3], а время затухания процесса десорб ции газа с обнаженной поверхности пласта может длиться несколько месяцев.

Основными факторами, определяющими метаноносность угольных отложе ний, являются степень метаморфизма угля, сорбционная способность, порис тость и газопроницаемость, отложений, влажность, геологическая история ме сторождения, глубина залегания, гидрогеология и угленасыщенность месторо ждения.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 



Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.