Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы

• Автор: Сазонов, Михаил Сергеевич
• Шифр специальности: 05.26.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. Проблемы анализа деформирования горных пород с учетом их естественной влажности
1.1 Методы структурного анализа деформирования горных пород
1.2 Влияние влажности на физико-механические свойства углей
1.3 Классификация состояний углей в процессе сушки
1.4 Цель и задачи исследования
Выводы
2. Исследование влияния изменения естественной влажности углей различной стадии метаморфизма на их физико-механические характеристики
2.1 Методика исследований
2.2 Изучение распределения влаги в каменных углях
2.3 Изучение физико-механических характеристик каменных углей при изменении их естественной влажности
2.4 Изучение деформационных характеристик углей под нагрузкой при изменении их естественной влажности
2.5 Аналитическая оценка изменения физико-механических
характеристик углей при изменении их естественной влажности
Выводы
3. Метод конечных элементов в задачах геомеханики
3.1 Основные теоретические положения конечно-элементной модели деформирования
3.2 Универсальная программная система конечно-элементного анализа (Апэуз)
3.3 Реализация метода конечных элементов в рамках решения задач статики в линейно-упругой постановке. Оценка точности
3.4 Реализация метода конечных элементов для решения задач упругости и
пластичности. Оценка точности
Выводы
4. Конечно-элементный анализ НДС горных выработок
4.1 Методика исследований
4.2 Разработка алгоритма расчета НДС углепородного массива с учетом естественной влажности
4.3 Исследование НДС углепородного массива в окрестности горных выработок
4.4 Исследование НДС углепородного массива у очистного забоя
4.5 Исследование НДС углепородного массива в краевых зонах угольных пластов
4.6 Влияние проветривания горных выработок на геодинамическую
безопасность выемочных участков
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы
Приложение 1. Программа расчета НДС углепородного массива в упругопластической стадии деформирования у очистного забоя с учетом изменения естественной влажности угля во времени

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время перед горной наукой и практикой стоит проблема повышения безопасности производства. Наибольшее количество аварий и травм, согласно статистике, происходит в шахтах в результате обрушений пород и других геодинамических явлений. Для защиты от них необходимо знать возможные места проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера в угольных пластах (опасные зоны) [1,2], что требует дальнейшего изучения причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.
Для решения проблемы повышения безопасности горного производства становится очевидной необходимость совершенствования методов и средств оценки исходного механического состояния углепородного массива с последующим принятием необходимых решений по увеличению работоспособности горных выработок. Сложность установления реального состояния массива еще совсем недавно не позволяла сформулировать не только практические, но и методические аспекты изучения дисциплины, которая сегодня называется управление состоянием горных пород. В последние 20-30 лет в связи с развитием вычислительной техники, автоматики, телемеханики и на этой основе экспериментальной техники диагностики наука о состоянии горных массивов получила новое стремительное развитие. В этом большая заслуга отечественных ученых, внесших значимый вклад в изучение состояния горных массивов, таких как С.Г.Авершин, Б.И.Бокий, А.А.Борисов, А.С.Бурчаков, Ф.П.Бублик, Г.И.Грицко, Е.С.Ержанов, Г.Н.Кузнецов, С.Т.Кузнецов, Ю.М.Либерман,
А.М.Линьков, В.И.Мурашев, М.М.Протодьяконов, И.М.Петухов, К.В.Руппенейт, В.Д.Слесарев, В.Ф.Трумбачев, В. Н. Фрянов, П.М.Цимбаревич, И.Л.Черняк, В.В. Ходот, В.Н. Захаров, О.Н. Малинникова и многих других. По мере углубления изучения проблемы оценки состояния массива, усложняются расчетные модели, увеличивается и число новых факторов, которые должны приниматься во внимание и учитываться, поскольку при расчете НДС горного массива особое значение приобретают вновь выявленные и ранее не учитывавшиеся эффекты, которые в совокупности приводят к понятию горное давление.
Одним из факторов, влияющих на текущее напряженное состояние углепородного массива, является изменение естественной влажности [3-6] угольного массива в приконтурных частях выработок во времени. Изменение
Рис. 2.13 . График зависимости относительного изменения объема Л У/¥0 (Уо~ объем сухого образца угля) от влажности угля XV марки Г

2й о,б

Я V? 0,

В а -°>

Критическая влажность
1,06 1,
Влажность угля У, %
Рис. 2.14 . График зависимости относительного изменения объема АУ/Уо (У0- объем сухого образца угля) от влажности угля V/ марки ГЖ Анализ результатов экспериментальных исследований показал следующее. Большая часть исследованных углей нелинейно и волнообразно изменяет свой объем во время изотермической сушки. При изменении естественной влажности углей до области ’’критической влажности” происходит значительное увеличение объема или же нулевое изменение объема, т.е. зафиксировано аномальное явление: во время сушки и удаления влаги из углей происходит его расширение (изменение объема почти на 1 %).

критическая влажность

«Н-ЙЧ-

0.2 0.4 0.6 0.
Относительная влажность воздуха ф
Марка Д -в—Марка Г Марка ГЖ
Рис. 2.15. График зависимости относительного изменения объема А У/Уест (Уест - объем образца угля с естественной влажностью) для различных марок углей На рис. 2.15 видна волнообразная зависимость изменения объема угля относительно естественного состояния от влажности воздуха. Максимальное локальное волнообразное изменение объема образцов (их сжатие) наблюдается в области «критической влажности» для всех марок углей почти на 0,5% относительно воздушно-сухого состояния и на 1% относительно первоначального состояния при естественной влажности. Например, для