Способ определения внутренних напряжений материала сплошной выемки и закладки
Настоящее изобретение относится к способу определения внутренних напряжений материала сплошной закладки. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, включающий следующие этапы: этап 1) получения данных по напряжениям материала сплошной закладки и установления соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки; этап 2) вычисления оседания поверхности в области сплошной закладки на основе теории эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта с использованием метода интегрирования вероятностей; этап 3) вычисления высоты расширения зоны трещинообразования в указанной области в условиях добычи угля со сплошной обратной закладкой; этап 4) вычисления деформации в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя с использованием значений, полученных на этапах 2) и 3); этап 5) вычисления внутренних напряжений в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя. Технический результат - создание простого способа, применимого для расчета распределения напряжений в окружающих породах при добыче методом сплошной выемки и закладки, обеспечивающего рекомендации по проектированию добычи методом выемки и закладки и поддерживающих конструкций. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу определения внутренних напряжений материала сплошной закладки.
Уровень техники
Китай является крупнейшей в мире страной-производителем угля. Поскольку угольные ресурсы добываются интенсивно, добыча угля в Китае постепенно вступила в период истощения. В частности, в восточной части Китая существует проблема добычи угля под зданиями, железными дорогами и водоемами. Добыча с обратной закладкой позволяет реализовать безопасную добычу угля под зданиями, железными дорогами и водоемами и является экологически чистым способом добычи с минимальным ущербом для окружающей среды.
Хотя технология и теория добычи угля с обратной закладкой являются относительно продвинутыми после десятилетий разработки, имеется мало исследований по методам расчета напряжений заполняющей выработанное пространство массы при добыче со сплошной обратной закладкой.
Раскрытие сущности изобретения
Чтобы преодолеть недостатки предшествующего уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, который может быть использован в качестве руководства для проектирования поддерживающих конструкций при добыче с обратной закладкой, обогащает теорию давления в системе добычи угля с обратной закладкой и имеет большое значение.
Для решения задачи, описанной выше, настоящее изобретение использует следующее техническое решение:
способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, включающий следующие этапы:
этап 1) получения данных по напряжениям материала сплошной закладки и установления соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки;
этап 2) вычисления оседания поверхности в области сплошной закладки на основе теории эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта с использованием метода интегрирования вероятностей;
этап 3) вычисления высоты расширения зоны трещинообразования в указанной области в условиях добычи угля со сплошной обратной закладкой;
этап 4) вычисления деформации в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя путем в сочетании с этапом 2) и этапом 3);
этап 5) вычисления внутренних напряжений в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя.
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки этап 1) конкретно включает:
получение данных параметров систем сдвига, силы и уплотнения в процессе уплотнения путем испытаний на уплотнение материала сплошной закладки и установление соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки.
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки отношение напряжение-деформация выражается в виде:
, где σv - внутренние вертикальные напряжения материала сплошной закладки; εv - напряжения материала сплошной закладки в вертикальном направлении; а и b являются постоянными коэффициентами.
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки конкретным процессом вычисления оседания поверхности в области сплошной закладки на этапе 2) является расчет эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта:
эквивалентная высота добычи составляет Ме=Mt+Mc, где Mt - опережающее оседание кровли; Мс - величина сжатия закладочной массы;
оседание поверхности в области сплошной закладки составляет 
, где Wm - максимум оседания поверхности; r - величина влияния оседания поверхности; 
- функция ошибки, рассчитанная по формуле 
формула для максимального оседания поверхности имеет вид Wm=qMecosα, где q -коэффициент оседания, и α - угол наклона угольного пласта; формула для объема влияния оседания поверхности имеет вид r=H/tanβ, где H - глубина залегания, а β - основной угол влияния.
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки высота расширения на этапе 3) вычисляется в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением, или определяется путем испытаний с моделированием физического подобия.
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, если высота расширения вычисляется в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением, то:
высота развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением вычисляется с использованием следующей эмпирической формулы: 
, где c, d являются коэффициентами, которые определяются в соответствии с литологией кровли;
формула высоты развития зоны трещинообразования при добыче угля со сплошной обратной закладкой получена в соответствии с высотой развития в сочетании с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой;
зона трещинообразования претерпевает объемное расширение в процессе формирования; предполагая, что коэффициент расширения зоны трещинообразования равен k, то высота расширения в вертикальном направлении составляет 
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, если высоту расширения вычисляют в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зон трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением, то коэффициенты c, d, определенные в соответствии с литологией кровли, выбирают из следующей таблицы:
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки конкретным содержанием этапа 4) является:
вычисление деформации SL сжатия материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя, составляющей SL=WL+Sf, где WL - оседание поверхности на расстоянии L от задней части рабочего забоя; Sf - высота расширения зоны трещинообразования в вертикальном направлении на расстоянии L от задней части рабочего забоя;
деформация материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя вычисляется как 
, при этом деформация материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя составляет
В описанном выше способе определения внутренних напряжений материала сплошной закладки конкретным содержанием этапа 5) является:
вычисление вертикального напряжения закладочной массы путем подстановки формулы деформации материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя в формулу, устанавливающую следующее соотношение напряжение-деформация в материале сплошной закладки при испытании степени уплотнения:
внутренние напряжения материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя вычисляют, как указано ниже на основе формулы расчета эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта:
Преимущества: настоящее изобретение обеспечивает способ вычисления напряжений в закладочной массе при добыче угля со сплошной обратной закладкой. Этот способ прост и практичен и имеет большое значение для расчета распределения напряжений в окружающей породе при добыче со сплошной обратной закладкой, содержит рекомендации по проектированию поддерживающих конструкций при добыче с обратной закладкой и углубляет методику системы интенсивной эксплуатации при добыче с обратной закладкой.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлены этапы вычисления деформации материала сплошной закладки;
На фиг. 2 представлен схематический график деформации материала сплошной закладки;
На фиг. 3 представлена высота развития зоны трещинообразования материала сплошной закладки в области закладки;
На фиг. 4 представлен график напряженно-деформированного состояния материала сплошной закладки;
На фиг. 5 представлен схематичный план расположения устройств контроля.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следующие варианты осуществления используются только для более ясного объяснения технического решения по настоящему изобретению, а не для какого-либо ограничения объема защиты настоящего изобретения.
Конкретные этапы реализации настоящего изобретения заключаются в следующем:
А. установление соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки; В. расчет оседания поверхности в области сплошной закладки; С. расчет высоты расширения зон трещинообразования в области сплошной закладки; D. расчет внутренней деформации материала сплошной закладки; Е. расчет внутренних напряжений материала сплошной закладки.
Уровень техники варианта осуществления: добыча в рабочем забое СТ120 в шахте под деревней путем добычи со сплошной закладкой с аккумулированием пустой породы на поверхности грунта шахты. Угольный пласт, в котором расположен рабочий забой, находится на глубине залегания 390 метров, длина погружения в области группы камер составляет 115 метров, длина выработки составляет 410 метров, средняя толщина угольного пласта составляет 3,3 метра и угол погружения составляет 4°. Основная кровля представляет собой песчаник со средней толщиной 33 метра, а пол представляет собой аргиллит со средней толщиной 14,8 метра.
В частности, установление соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки на этапе 1) выполняют следующим образом:
материалом закладки для шахты является материал пустой породы, размер частиц которой составляет менее 50 мм, испытываемые образцы берут непосредственно из материала закладки для ствола шахты, для каждой группы образцов берут 5 кг материала закладки пустой породы и образцы объединяют в три группы. Материал закладки уплотняют с помощью системы уплотнения, кривые давления и сдвига загружают и экспортируют и данные аппроксимируют с помощью программного обеспечения Matlab для установления соотношения напряжение-деформация материала закладки пустой породы.
В частности, расчет оседания поверхности и высоты расширения зон трещинообразования в области сплошной закладки на этапе 2) и этапе 3) заключается в следующем:
налегающие породы имеют среднюю прочность с модулем объемной упругости, составляющем 25 кН/м3. Напряжение от собственного веса составляет около 9,8 МПа. В процессе добычи среднее опережающее оседание кровли составляет 80 мм. Оседание поверхности, соответствующее рабочему забою, может быть рассчитано методом интегрирования вероятностей, основанном на принципе эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта. При этом коэффициент оседания поверхности определен как 0,73, а значение тангенса угла основного воздействия равно 1,8. Принципиальная схема деформации закладываемой массы показана на фиг. 2. Коэффициент расширения зоны трещинообразования получен путем испытаний с моделированием подобия. Параметры показаны на фиг. 3.
На этапе 4) - 5) внутренние напряжения и деформацию материала сплошной закладки рассчитывают следующим образом:
В процессе продвижения рабочего забоя напряжения в закладочной массе могут быть получены путем подстановки вышеуказанных параметров в формулу. Отношение напряжения к продвижению рабочего забоя показано на фиг. 4.
В конечном итоге, напряжения контролируются на месте. Из результатов полевых измерений в шахте очевидно: приведенный выше результат расчета в основном соответствует измеренным данным и может использоваться для прогнозирования напряженного состояния закладочной массы в полностью уплотненном состоянии. Схематический план расположения устройств контроля показан на фиг. 5.
Хотя настоящее изобретение описано выше в некоторых предпочтительных вариантах осуществления, следует отметить, что специалисты в данной области техники могут вносить различные улучшения и модификации, не отступая от технического принципа настоящего изобретения, и эти улучшения и модификации следует рассматривать как попадающие в объем защиты настоящего изобретения.
1. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки, включающий следующие этапы:
этап 1) получения данных по напряжениям материала сплошной закладки и установления соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки;
этап 2) вычисления оседания поверхности в области сплошной закладки на основе теории эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта с использованием метода интегрирования вероятностей;
этап 3) вычисления высоты расширения зоны трещинообразования в указанной области в условиях добычи угля со сплошной обратной закладкой;
этап 4) вычисления деформации в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя с использованием значений, полученных на этапах 2) и 3);
этап 5) вычисления внутренних напряжений в материале сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя.
2. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 1, в котором этап 1) включает:
получение данных параметров систем сдвига, силы и уплотнения в процессе уплотнения с помощью испытаний на уплотнение материала сплошной закладки и установление соотношения напряжение-деформация в материале сплошной закладки.
3. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 2, в котором соотношение напряжение-деформация выражается в виде: 
, где σv - внутренние вертикальные напряжения материала сплошной закладки; εv - деформация материала сплошной закладки в вертикальном направлении; а и b являются постоянными коэффициентами.
4. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 1, в котором конкретным процессом вычисления оседания поверхности в области сплошной закладки на этапе 2) является расчет эквивалентной высоты добычи в виде Ме=Mt+Мс, где Mt - опережающее оседание кровли; Мс - величина сжатия закладочной массы;
оседания поверхности в области сплошной закладки в виде 
, где Wm - максимум оседания поверхности; r - объем влияния оседания поверхности;
- функция ошибки, рассчитанная по формуле 
;
максимума оседания поверхности в виде Wm=qMecosα, где q - коэффициент оседания, и α - угол наклона угольного пласта; формула для объема влияния оседания поверхности имеет вид r=H/tanβ, где H - глубина залегания, а β - основной угол влияния.
5. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 1, в котором высота расширения на этапе 3) вычисляется в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением или определяется путем испытаний с моделированием физического подобия.
6. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 4, в котором при вычислении высоты расширения в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением:
высоту развития зоны трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением вычисляют по следующей эмпирической формуле:
, где с, d являются коэффициентами, определяемыми в соответствии с литологией кровли;
формула высоты развития зоны трещинообразования при добыче угля со сплошной обратной закладкой получена в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития;
зона трещинообразования претерпевает объемное расширение в процессе формирования; предполагая, что коэффициент расширения зоны трещинообразования равен k, то высота расширения в вертикальном направлении составляет 
.
7. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 6, в котором, когда высоту расширения вычисляют в соответствии с принципом эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта при добыче с обратной закладкой в сочетании с высотой развития зон трещинообразования при добыче с использованием системы разработки с обрушением, коэффициенты c, d, определенные в соответствии с литологией кровли, выбирают из следующей таблицы:
8. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 6, в котором конкретным содержанием этапа 4) является:
вычисление деформации сжатия SL материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя, составляющей SL=WL+Sf, где WL - оседание поверхности на расстоянии L от задней части рабочего забоя; Sf - высота расширения зоны трещинообразования в вертикальном направлении на расстоянии L от задней части рабочего забоя;
деформация материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя вычисляется как 
, при этом деформация материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя составляет
9. Способ определения внутренних напряжений материала сплошной закладки по п. 8, в котором конкретным содержанием этапа 5) является:
вычисление вертикального напряжения закладочной массы путем подстановки формулы деформации материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части очистного забоя в формулу, устанавливающую соотношение напряжение-деформация в материале сплошной закладки при испытании степени уплотнения:
внутренние напряжения материала сплошной закладки на расстоянии L от задней части рабочего забоя вычисляют, как указано ниже на основе формулы расчета эквивалентной высоты очистного пространства при выемке пласта:
