Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Сазонов, Михаил Сергеевич

• Сазонов, Михаил Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сазонов, Михаил Сергеевич

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 (Албуб)

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 диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы»

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

4

влажности массива происходит в силу различных причин [7], зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры и влажности шахтной атмосферы [8-11], от управления режимами проветривания и другим причинам. В связи с этим исследование влияния влажности шахтной атмосферы на прочностные свойства массива с целью повышения геодинамической безопасности ведения горных работ представляется актуальным.

Цель работы - разработка метода прогноза геодинамических явлений в

угольных пластах, обеспечивающего выявление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределение во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для повышения безопасности горного производства.

Идея работы заключается в установлении и использовании зависимостей влияния изменения естественной влажности углей при проветривании горных выработок на НДС углепородного массива для прогноза геодинамических явлений в угольных пластах.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов научных исследований, включающий:

- натурные исследования влияния влажности шахтной атмосферы на изменение влажности углей в окрестности горных выработок во времени;

- лабораторные исследования влияния влажности угля во время сушки на его диаграммы деформирования по разработанной методике определения интервала "критической влажности";

-метод для установления корректирующей функции в области "критической влажности" углей;

- аналитические и численные методы математического моделирования проявлений горного давления на базе геомеханики с учетом изменения естественной влажности каменных углей во времени с использованием пространственных моделей, определяющих соотношений Генки - Ильюшина и метода последовательных приближений Биргера.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.

1. Для углей различных стадий метаморфизма существует интервал "критической влажности" угля, где при снижении влажности имеет место градиентное изменение его физико-механических характеристик до уровня ± 40%.

2. Использование корректирующей функции позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования угля с естественной влажностью для любого другого уровня влажности угля при изменении ее во времени с учетом области "критической влажности", соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

3. Достоверный метод прогноза геодинамических явлений в угольных пластах при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, базирующийся на основе пространственного моделирования геомеханических процессов в массиве горных пород, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределения во времени в окрестности выработок, требует использования корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

4. Во время проветривания горных выработок при изменении естественной влажности углей до интервала "критической влажности" происходит перераспределение напряженного состояния массива у их бортов, у очистного забоя, в местах их сопряжений, что ведет к увеличению потенциальной энергии углепородного массива и скорости ее освобождения и увеличивает вероятность возникновения горного удара.

5. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

-высоким уровнем объективности результатов прогноза геомеханического состояния углепородного массива, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методикам и алгоритмам с данными отечественных и зарубежных авторов (расхождение не более 1% относительной ошибки);

-удовлетворительным уровнем объективности экспериментальных результатов (более 600 экспериментов на образцах, коэффициент вариации значений механических характеристик не превышает 15%);

-положительными результатами шахтных исследований, свидетельствующими о существовании процесса изменения влажности угольного массива у бортов выработок во время проветривания.

Научное значение диссертации состоит «разработке метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его трансформацию во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для принятия инженерных решений по уменьшению концентрации напряжений в различных конструктивных элементах угольных шахт.

Практическая значимость диссертации. Разработана методика, позволяющая на основе использования многопараметрических пространственных моделей трансформации во времени НДС вокруг горных выработок повысить точность, надежность, достоверность конечных результатов, выполнять анализ и прогноз геодинамических ситуаций на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка, что обеспечит существенное повышение геодинамической безопасности шахт.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием "Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса" (г. Белово, 2011); на II Международной научно-практической конференции "Динамика научных исследований - 2011" (Украина, г. Днепропетровск, 2011); на научно-технических семинарах "НЦ ВостНИИ" (г. Кемерово, 2012); V международной научной конференции "Инновации в технологиях и образовании" (г. Белово, 2012); заседаниях экспертной группы по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса -2011" (14-15 ноября 2011г., г. Кемерово); заседаниях научно-технического семинара при ОАО "НЦ ВостНИИ" (12 декабря 2012г., г. Кемерово), заседаниях экспертной комиссии по подведению итогов конкурса "Лучший городской инновационный проект" (20 января 2012г., г. Кемерово).

Реализация работы:

установленное нелинейное изменение объема, вызывающее внутренние напряжения в микропористой структуре угля в области "критической влажности", использовано при выполнении государственного контракта «Разработка новой технологии активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающей сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов»;

- установленное нелинейное изменение объема, вызывающее увеличение химической активности в области "критической влажности", использовано при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа - «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля»;

- разработанный метод используется на предприятии ООО «НПП Система промышленной безопасности».

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 научных трудах, 7 из которых напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 149 рисунков, список использованной литературы из 80 наименований, 1 приложение.

1. Проблемы анализа деформирования горных пород с учетом их естественной влажности

1.1 Методы структурного анализа деформирования горных пород

Анализ существующих аналитических и инженерных методов расчета деформирования изделий показывает, что область их применения ограничивается решением узкого круга задач теории упругости и еще меньше получено решений простейших задач пластического деформирования. Получению достоверных количественных аналитических решений препятствуют сложности математического характера. Как следствие таких затруднений большинство из известных решений базируется на представлении материала в виде упругих, однородных, изотропных и сплошных сред. В действительности имеет место бесконечная сложность реологического поведения материала - это нелинейная вязкоупругость, проявляющаяся одновременно, и незатухающая память стареющих, обладающих признаками прочностного восстановления и упрочнения, сложная термореология и т.д. Кроме того, большинству материалов присущи трехмерные структурные особенности, затрудняющие выбор и обоснование достоверных расчетных схем.

Инженерные методы расчета, полученные путем корректировки аналитических решений посредством некоторой системы поправочных эмпирических коэффициентов, установленных на основе экспериментов и натурных наблюдений, также ограничены областью применимости, т.к. полученные результаты оказываются достоверными лишь в тех условиях протекания механического процесса, в которых этот эксперимент проводился. Использование полученных таким образом результатов в виде обобщений на другие условия оказывается проблематичным из-за необходимости проведения дополнительных исследований с целью изучения не учтенных ранее эффектов, а их учет во всем многообразии, как правило, зачастую ограничивается высокой стоимостью экспериментальных исследований, отсутствием или необходимостью разработки нового экспериментального оборудования.

Не умаляя достоинств инженерных и аналитических подходов к решению задач механики, заметим, что наиболее информативными, продуктивными и более достоверными методами анализа, учитывающими комплексы технических, технологических и организационных факторов, признаны численные методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) изделий с помощью ЭВМ [12-16].

В качестве базовых расчетных методов анализа используются методы дифференциальных и интегральных уравнений, термодинамические и некоторые другие подходы. Среди численных методов расчета НДС деталей и конструкций наиболее развиты конечно-разностный метод (КРМ), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных интегральных уравнений (ГИУ). При этом наибольшей популярностью пользуется МКЭ из-за относительной простоты в реализации и как метод, наиболее близкий к инженерному мышлению по сравнению с другими методами, например ГИУ.

Ведущими учеными, внесшими в становление и развитие метода конечных элементов, являются Б.З. Амусин, В.Н. Аликин, В.П. Ковалев, С.Н. Кузнецов, Ю.М. Либерман, Г.И. Марчук, В.А. Постнов, JI.A. Розин, А.Б. Фадеев, В.Н. Фрянов, К.Я. Хархурим, H.H. Шапошников и др., а также зарубежные ученые Д. Аргирис, М. Берген, О. Зенкевич, Р. Клаф, Д.Ж. Оден, Г. Стренг, И. Чанг и др.

Несмотря на обилие публикаций подходов к реализации МКЭ, детальная постановка задачи в настоящей работе вызвана потребностью дать физико-математическую интерпретацию метода в связи с необходимостью разъяснения его сущности. В отличие от большинства реализаций МКЭ, где обучение начинается со способов построения глобальной матрицы жесткости и системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая в дальнейшем решается прямыми методами (например, фронтальный метод, метод исключения Гаусса и т.п.), здесь рассматривается физическая сущность МКЭ - построение решения и получение разрешающих уравнений на базе энергетического подхода - минимизации функционала Лагранжа.

Если говорить о методе ГИУ, можно заметить, что еще совсем недавно он считался вотчиной математиков, а его идеи лежали в стороне от технических приложений. Ситуация коренным образом изменилась с развитием ЭВМ. Теоретическая оснащенность метода столь велика, что возник соблазн немедленно перевести его на язык вычислительных машин для широкомасштабного использования в различных сферах техники.

Вместе с тем одна из основных причин задержки использования ГИУ кроется в необходимости более фундаментальной математической подготовки для инженера, поскольку теперь требуются дополнительные специфические знания разделов математики, не вполне знакомые широкому кругу прикладников.

Существуют определенные рамки, в которых тот или иной метод может быть использован с наибольшей эффективностью. Для МКЭ это класс плоских и осесимметричных задач теории термоупругости и фильтрации. В том случае, когда преобладают трехмерные эффекты по геометрии или нагрузкам, метод ГИУ становится экономически более выгодным. Исходя из

в

1

нашего опыта анализа порог использования МКЭ находится где-то на уровне расчета НДС трехмерных тел, тел с трещинами, контактных задач с подвижными границами и разуплотнениями на контактах. Кроме того, у ГИУ имеются и другие преимущества перед МКЭ - сокращение на единицу размерности задачи и неоспоримая простота при рассмотрении «бесконечных» областей, что является важным фактором при решении ряда задач механики.

Потребности практики и возможности современных ЭВМ послужили основой устранения причин задержки использования МКЭ. В настоящее время объем программной оснащенности МКЭ только увеличивается, а также МКЭ является одним из самых точных методов структурного анализа деформирования горных пород, который реализуется в специальных алгоритмах и программах для ЭВМ.

В естественном состоянии, несмотря на природную неоднородность состава, и свойств, деформированность и нарушенность в результате различных геологических и тектонических воздействий, массив горных пород находится в статическом равновесии, с установившимся начальным полем напряжений. В результате производственной деятельности человека по проведению горных выработок и извлечению полезных ископаемых нарушается равновесное состояние породного массива. Вследствие чего происходят сложные геомеханические процессы, вызывающие возникновение дополнительного поля напряжений [17,18].

Существуют аналитические, численные и экспериментальные методы решения подобных задач. Сразу можно сказать, что система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая изменение напряженно-деформированного состояния слоистого углепородного массива с проведенными в нем выработками, в подавляющем большинстве случаев не имеет аналитического решения. Однако полной картины происходящих в породной толще процессов эти данные не дают. При изменении условий (увеличении глубины, разработке нового месторождения, изменении технологических параметров и др.) требуется проведение повторных исследований. Опережающий прогноз характера и параметров геомеханических и фильтрационных процессов осуществить практически невозможно вследствие недостаточного количества требуемой информации и необходимых эмпирических зависимостей, из-за большой трудоемкости и длительности натурных исследований. Натурные исследования не позволяют получить наиболее важные для практики предельные состояния объектов (например, минимальное сопротивление крепи в выработке, при котором она разрушается), так как это приводит к недопустимым нарушениям

безопасности горных работ или экономическому ущербу.

и

Численные методы представляют собой наиболее приемлемый путь решения поставленной задачи. Их суть заключается в аппроксимации сплошной среды некоторой дискретной моделью, а исходных дифференциальных уравнений - системой линейных уравнений, которые могут быть решены с применением компьютера.

Для решения уравнений геомеханики можно использовать множество численных методов. Наиболее применяемые из них - метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ) [12]. Одной из разновидностей МКЭ является метод суперэлементов (МСЭ). Существуют и другие - метод граничных элементов (МГЭ), метод спектральных схем, но их использование ограничено специальным классом задач. Первым из численных методов появился метод конечных разностей. С его помощью был решен ряд задач горной геомеханики и гидродинамики. Решение начинается с того, что исследуемая область покрывается конечно-разностной сеткой, в узлах которой и будут находиться искомые неизвестные величины. Затем в узлах задаются начальные, приближенные значения функций. Далее начинается вычислительный цикл, когда для приближенного определения неизвестных используется некоторый конечно-разностный аналог дифференциального уравнения. Вычислительный цикл повторяется до тех пор, пока решение не выйдет на стационарное с заданной степенью точности. Но настоящий «инструмент» для проведения теоретических исследований был получен лишь с появлением МКЭ. По этому методу интересующая исследователя область заменяется дискретной, состоящей из конечных элементов (прямоугольных, треугольных, стержневых и др.), связанных между собой в узлах. Сначала рассматривается каждый элемент по отдельности, и изучаются его свойства независимо от других. Затем элементы объединяются, и удовлетворяются условия непрерывности внутри области и глобальные граничные условия на ее границе. Таким образом, применительно к задачам геомеханики, появляется возможность учитывать форму поперечного сечения горных выработок, сложные граничные условия и разнообразные геомеханические и фильтрационные свойства материалов.

МКЭ основывается на создании многоуровневой последовательно-параллельной процедуры рассмотрения равновесия заданной области. На первом этапе исследуется исходный объект, состоящий из нескольких укрупненных частей - суперэлементов, обладающих значительно меньшим, чем в МКЭ, количеством степеней свободы. Полученные в результате решения данные служат исходными граничными условиями для второго этапа расчета, в котором крупный элемент разбивается на более мелкие. Таким образом, метод суперэлементов позволяет дискретизировать

достаточно большие области. Данные расчеты весьма актуальны при расчетах взаимного влияния нескольких выработок и выемочных полей.

Для расчета, прогнозирования состояния углепородного массива и управления его состоянием оценок отдельных параметров упругопластических и предельных механических характеристик угля и пород с учетом их влагосодержания не достаточно.

Теперь требуются знания определяющих соотношений, которые могут быть получены, по крайней мере, из простейших испытаний образцов на растяжения-сжатие, в виде полных диаграмм зависимости напряжений от деформаций.

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. 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.

К одному из таких факторов относится изменение естественной влажности углепородного массива в приконтурных частях выработок.

Изменение влажности массива происходит в силу различных причин, зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры шахтной атмосферы, от управления режимами проветривания, по другим причинам.

1.2 Влияние влажности на физико-механические свойства углей

Влиянием влаги каменных углей на их физико-механические характеристики занимались ученые ИГД СО РАН, ИГД им. Скочинского, ВНИМИ, ВостНИИ, ученые других институтов. Влажностью горных пород называют содержание в них воды, определяемое по уменьшению образца при высушивании в стандартных условиях [19, 20]

Влажность выражают в весовых процентах и определяют из разности первоначального веса образца и образца, высушенного при температуре 100-110°С.

Влажность горной породы - содержание жидкости, отнесенной к единице массы влажной породы.

т" (1.1.1)

т0+тж

XV - влажность, % шж— масса жидкости, г ш0 - масса сухой породы, г

Влагосодержание материала - содержание жидкости, отнесенной к единице массы сухого материала. Влагосодержание породы характеризует степень насыщения породы водой.

1ГШ =^(1.1.2)

т0

Следовательно, зависимость между влагосодержанием и влажностью материала можно записать так[3]:

IV

^ = -^=-(1.1.3)

В ИГД им. А. А. Скочинского для определения влияния влажности углей на их физико-механические свойства были проведены сравнительные испытания в воздушносухом и водонасыщенном состояниях. Для этой цели взятые пробы выдерживались в течение различных промежутков времени в воде до полного их водонасыщения. Было установлено, что увеличение влажности каменных углей ведет к уменьшению их прочности, твердости и повышению пластичности [3].

В то же время, в других работах [5], посвященных исследованию изменению надмолекулярной организации антрацита в процессе его увлажнения, выявлен характер надмолекулярных морфологических форм антрацита в зависимости от длительности увлажнения. Иными словами, в начальный период увлажнения (порядка 15 суток) величина дробимости образцов антрацита уменьшается почти во всех фракциях, однако, после длительного увлажнения антрацита (порядка 70 суток) величина дробимости во всех фракциях увеличивается, что свидетельствует о нелинейной реорганизации структуры угля в процессе увлажнения.

В работе другого автора [7] влагоотдача трещиноватого скального горного массива изучалась в связи с проблемой регулирования подземного микроклимата. При построении математической модели влагопереноса из массива в выработку, авторы исходили из того, что в трещиновато-пористой среде одновременно происходят молекулярный, молярный и конвективный перенос влаги, описываемые единым эффективным коэффициентом массопереноса. Динамика распространения зоны пониженной влажности, была весьма выражена: через 20 часов граница зоны осушения достигала 1,5^-2,0 м от поверхности выработки; через 40 часов - 3,5 м и через 400 часов она составила около 6 м.

В результате работы [8] установлено, что влагонасыщение воздуха в глубоких шахтах в значительной мере происходит за счет выделения влаги горными породами. Анализ образцов, показал, что естественная влажность пород ниже их максимальной гигроскопической влажности, т.е. породы находятся вне зоны полного насыщения. По мере возрастания глубины залегания пород их влажность уменьшается. Величина градиента влажности зависит от гигроскопических свойств пород. До глубины 950-1000 м, несмотря на уменьшение влажности пород, давление пара в них повышается, и, следовательно, увеличивается интенсивность влагоотдачи массива.

В книге Венгерова Г.Г. [9] рассказано об исследованиях влагоотдачи массива - плотности потока массы водяного пара через поверхность горной выработки к рудничному воздуху. Изучение проводилось в выработках глубоких угольных шахт. В сухих очистных забоях глубоких шахт с 1 м поверхности стенок выделялось 30-100г/час влаги (пара). В сухих подготовительных выработках - на порядок меньше, но общая площадь их поверхности приводила к увеличению влажности рудничного воздуха и изменению естественной влажности угольного массива. Размеры пустот (пор и трещин) в части массива, примыкающей к поверхности обнажения велики, поэтому при гигроскопическом состоянии влага в них может находиться только в парообразном виде. Механизмом переноса является диффузия водяного пара, давление которого в охлажденной зоне массива близко к барометрическому в выработке. Здесь же рассмотрены сезонные изменения относительной влажности воздуха ф (%), подаваемого в шахту. Так, например, для подаваемого в шахту атмосферного воздуха характерны различные летние (ср=90-95%) и зимние (ср=30-35%) значения. Сезонные колебания влажности воздуха ср и температуры Т, в глубоких шахтах затухают на подходе к лаве. Для лав в Донбассе характерны значения на входе (ф!) в лаву и на выходе из нее (ф2): ф1=76-90%, ф2=76-99%. Статистическая обработка данных измерений в лавах позволила разделить их на две группы - "сухие" и "влажные". Для сухих лав: в добычную смену ф=73,5%. Для влажных лав: в добычную смену ф=88%. В тупиковых выработках ф сильно варьирует. На выходе из тупиковой выработки относительная влажность воздуха ф2 имеет средние значения: без охлаждения - ф2=71% (сухие тупики) и ф2=79% (влажные); с охлаждением воздуха - ф2=75% (сухие) и ф2=83% (влажные). Относительная влажность ф также изменяется и в сечение выработок, но не значительно.

Из исследований [10] следует, что в летнее время влагосодержание атмосферного воздуха довольно высокое, а при охлаждении его в горных выработках избыток влаги конденсируется на стенках выработок. В этом

случае относительная влажность воздуха может достигать 100%, а в выработках шахт, рудников накапливается значительное количество воды. Например, на Соликамском калийном руднике по этой причине в июле остается в горных выработках более 2000 т воды, в вентиляционных выработках рудников крайнего севера влага конденсируется на стенках выработок в виде крупных хлопьев снега и кристаллов причудливой формы.

В зимнее время влагосодержание атмосферного воздуха, как правило, невелико и поэтому происходит чаще всего обратный процесс - осушение горных выработок. На том же Соликамском руднике в феврале было вынесено вместе с воздухом более 1500 т воды. На угольных шахтах вынос воздухом воды в зимнее время в 2-3 раза и более может превышать приведенное выше значение.

Так же необходимо учитывать испарение воды со стенок выработок. В исследованиях [11] показано, что в каждой шахте в географических и гидрогеологических условиях средней Европы при прохождении рудничным воздухом вентиляционной сети и рабочих мест происходит не только его нагревание, но и повышение его абсолютной влажности. Влажность рудничного воздуха повышается в результате его контакта с открытыми поверхностями воды, лужами на почве выработок, незакрытыми канавами для стока воды, вытекающей водой из геологических нарушений или водопроводов через неплотности и т.д. Кроме того, влажность воздуха увеличивается под действием водных противопылевых средств (разбрызгивание, орошение и т.д.). Кроме влияния открытых поверхностей воды необходимо учитывать и естественную влажность горных пород, которая тоже насыщает воздух водяными парами, хотя в меньшей степени.

Учет всех этих факторов требует уделить особое внимание проблеме влияния на НДС углепородного массива изменения естественной влажности углей во время проветривания горных выработок шахт и оценить динамику изменения НДС углепородного массива во времени с учетом влажности шахтной атмосферы.

1.3 Классификация состояний углей в процессе сушки

Процесс проветривания сухих горных выработок схож с процессом сушки влажных материалов, который является одновременно и технологическим процессом, при котором меняются структурно-механические, технологические и биохимические свойства материала. Изменение этих свойств обусловлено тем обстоятельством, что в процессе сушки происходит изменение форм связи влаги с углем и ее частичное удаление путем испарения [21].

Стенки горных выработок, подвергаемые периодическому взаимодействию тепла и влаги, изменяют свои физические свойства. Эти изменения обусловлены молекулярным характером связи поглощенной жидкости с углем. Кроме того, перенос поглощенной жидкости или пара (а также тепла) внутри каменных углей зависит от характера молекулярной связи жидкости, содержащейся в массиве, с веществом скелета угля.

По величине и природе энергии связи следует различать четыре формы связи: химически связанная вода, адсорбционно-связанная вода, капиллярно связанная вода, осмотически связанная вода [21].

Химически связанная вода обладает рядом свойств, которые отличают ее от обычной воды: повышенной плотностью, низкой температурой замерзания (порядка -78°С), пониженной способностью растворять соли и т.п.

Под физико-механической связанной жидкостью мы понимаем жидкость, находящуюся в капиллярах, и жидкость смачивания.

Капиллярная связь жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения а и капиллярным давлением р. Коэффициентом поверхностного натяжения называют свободную потенциальную энергию молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое, рассчитанную на единицу площади поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей вдоль поверхности жидкости и приложенной к единице междуфазной границе раздела.

Сила а является измеряемой величиной во всех случаях, когда поверхность жидкости имеет границу раздела, например, в явлении смачивания. Явление смачивания наблюдается на границе раздела трех фаз, одна из которых обычно является твердым телом (фаза 3), а две другие -жидкостью (фаза 1) и газом (фаза 2). При неполном смачивании жидкая поверхность раздела пересекает твердую поверхность по некоторой линии, называемой периметром смачивания, и образует с ней конечный угол (в) [21].

Величина угла смачивания зависит от того, какая поверхность твердого тела, сухая или предварительно смоченная, приходит в соприкосновение с жидкостью. Это явление носит название гистерезиса смачивания. Природа его не вполне ясна.

Молекулярное давление (рг) поверхностного слоя жидкости, обусловленного силами молекулярного сцепления, зависит от кривизны поверхности.

Молекулы жидкости, находящейся на поверхности, притягиваются как к молекулам жидкости, так и к молекулам пара. Так как плотность жидкости больше плотности пара, то равнодействующая сил, действующих на молекулу и направленная вниз, по своей величине значительно больше, чем

сила притяжения, направленная вверх. Вследствие этого молекулы, находящиеся на поверхности и в слое жидкости, равном двойному радиусу действия сил молекулярного притяжения, испытывают одностороннее, направленное вниз, к массе жидкости давление. Это давление называется молекулярным давлением.

Молекулярное давление не может быть определено непосредственными измерениями, но порядок его величин можно вычислить несколькими методами, в частности из уравнения Ван-дер-Ваальса. Вычисления показывают, что оно достигает огромных величин, доходя для воды до 14800 кг/см .

Вследствие большого молекулярного давления жидкости практически несжимаемы, так как они уже предварительно сжаты поверхностным давлением.

Величина молекулярного давления зависит от природы жидкости, температуры, формы поверхности жидкости.

В случае выпуклой поверхности жидкости главные радиусы кривизны положительны, а для вогнутой поверхности - отрицательны. Следовательно, молекулярное давление вогнутой поверхности будет меньше, а выпуклой больше, чем молекулярное давление плоской поверхности.

Высота поднятия жидкости обратно пропорциональна радиусу капилляра.

В капиллярах с радиусом г=10 нм возможное капиллярное поднятие

о

равно 1,5 км, а всасывающая сила равна примерно 150 кг/см . Капиллярные поры таких размеров имеются в таких пористых телах, как уголь, силикагель. Если капилляр имеет длину, меньшую h, то стремление вогнутого мениска уменьшить свою поверхность создает отрицательное давление, вызывающее уменьшение плотности жидкости, в отличие от адсорбционно-поглощенной жидкости, которая находится в сжатом состоянии. Стенки капилляра будут испытывать действие сил, стремящихся вызвать их сжатие, в результате чего происходит деформация скелета угля.

Если радиус сквозного капилляра меньше 10~5 см, то этот микрокапилляр заполняется путем образования пленок на его стенках, если же радиус сквозного капилляра больше 10"5 см, то этот капилляр не может быть заполнен водой путем сорбции пара. Такой капилляр может быть заполнен водой только при непосредственном соприкосновении. В несквозных капиллярах мениски образуются при наличии адсорбированного сжиженного слоя на стенках независимо от величины радиуса[21].

В работе [22] были представлены величины энергии связи воды с углем. На рис. 1.1 представлена энергограмма сушки угольного образца класса менее 0,5 мм, имеющая характерные участки.

О 5 10 15 20 25 % 30

->•

Рис. 1.1. Зависимость энергии связи воды с углем от влагосодержания, класс < 0,5 мм

Наибольшей энергией связи обладает адсорбционная влага, имеющая два энергетических участка - полимолекулярной (ДЕ) и мономолекулярной (ЕО) адсорбции.

Таким образом, энергограмма [22] позволяет установить величину энергии связи для различных видов влаги и проследить переход одних видов влаги в другие.

Обращает на себя внимание энергия связи капиллярно-связанной влаги породы крупностью менее 0,04 мм. Её величина почти на порядок выше соответствующих видов влаги угля.

у

Максимальная энергия связи монослоя достигает величины 2,1 102,41 • 107 Дж/кг и соответствует влагосодержанию материала 1-0,2 %.

При сушке угля нагретым воздухом с определенными параметрами (I, ср, у) нельзя удалить всю влагу. Процесс может быть проведен только до равновесной, соответствующей данным параметрам воздуха влажности материала.

Из изотерм сорбции и десорбции влаги углем следует, что если влагосодержание угля больше максимального гигроскопического иг.м., то давление пара жидкости материала равно давлению насыщенного пара свободной жидкости при температуре материала и не зависят от его влагосодержания,

и>игм рм = р„ = сот1

Если влагосодержание угля меньше максимального гигроскопического и <игм, то давление пара жидкости в угле меньше давления насыщенного пара свободной жидкости и является функцией влагосодержания и температуры угля.

и<игм Рм=яи,о

В связи с этим различают область влажного состояния угля и >игм и область гигроскопического состояния угля и <игм.

Эта классификация состояний материала [21] с точки зрения процесса сушки схематически изображена на рис. 1.2

^_Область гигроскопического-»н Область блажного

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Сазонов, Михаил Сергеевич

Выводы

1. Установлено, что во время проветривания горной выработки в течение 18 суток происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля до глубины в 2 м.

2. При упругопластическом деформировании и одновременном учете корректирующей функции в результате снижения естественной влажности углей в сопряжении очистного забоя и выработки в период от 6 до 14 суток проветривания проявляется влияние "критической влажности" -локально увеличиваются упругопластические свойства угля, снижаются значения вертикальных напряжений на обнажении выработки, увеличивается конвергенция кровли, что влечет за собой резкое изменение баланса общей потенциальной энергии, увеличение концентрации энергии в зоне с повышенными значениями ФМХ угля, изменение распределения вертикальных сжимающих напряжений. Процесс снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" ведет к увеличению показателя удароопасности Ду и является одним из многих факторов, повышающих вероятность возникновения мощного динамического явления - горного удара.

3. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, склонных к горным ударам, с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи - разработки метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы, изменяющейся во времени, обеспечивающего повышение геодинамической безопасности подземной угледобычи за счет поддержания относительной влажности воздуха выше интервала "критической влажности".

Основные научные результаты и выводы, полученные лично автором:

1. В шахтах в результате геодинамических явлений и других опасных факторов происходит, согласно статистике, наибольшее количество аварий и травм. Для защиты от них необходимо знать возможные опасные зоны проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера. Для этого необходимо дальнейшее изучение причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

2. Установлен интервал "критической влажности" угля для различных стадий его метаморфизма во время сушки, представляющий собой интервал влажности, в котором локально и волнообразно увеличиваются значения предела прочности при сжатии до 40%, коэффициента дробимости до 30%, модуля упругости до 25%, модуля деформации до 35%, коэффициента Пуассона до 3%, коэффициента поперечной деформации до 8%. При этом снижаются значения относительного изменения объема до 0,7% и предела прочности при растяжении до 40%.

3. Изменение ФМХ углей при изменении естественной влажности обусловлено возникновением внутренних напряжений, возникающих в результате различной деформации, усадки пористой структуры угля (аморфной среды) и кристаллической. Использование корректирующей функции а = М позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования при изменении естественной влажности угля во времени с учетом области "критической влажности", соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

4. Метод анализа напряженно-деформированного состояния углепородного массива сложного строения при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива, для расчета показателя удароопасности с целью повышения безопасности горного производства, заключается в использовании корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

5. Проведена оценка точности разработанных методов расчета НДС углепородного массива на базе сопоставления с аналитическими и численными решениями других авторов. Расхождение результатов при расчете задач в упругой постановке не превысило 0,08%, а в упругопластической - 1%, при этом вариация экспериментально определенных ФМХ углей составила 15%.

6. Установлено, что во время проветривания горной выработки в течение 18 суток происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля до глубины в 2 м.

7. При упругопластическом деформировании и одновременном учете корректирующей функции в результате снижения естественной влажности углей в сопряжении очистного забоя и выработки в период от 6 до 14 суток проветривания проявляется влияние "критической влажности" -локально увеличиваются упругопластические свойства угля, снижаются значения вертикальных напряжений на обнажении выработки, увеличивается конвергенция кровли, что влечет за собой резкое изменение баланса общей потенциальной энергии, увеличение концентрации энергии в зоне с повышенными значениями ФМХ угля, изменение распределения вертикальных сжимающих напряжений. Процесс снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" ведет к увеличению показателя удароопасности Ду и является одним из многих факторов, повышающих вероятность возникновения мощного динамического явления - горного удара.

8. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, склонных к горным ударам, с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сазонов, Михаил Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1. Клишин В.И., Зворыгии JI.B. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. -Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011.524 с.

2. Коршунов Г.И., Артемьев В.Б., Логинов А.К., Шик В.М. Геомеханика на угольных шахтах.-М.: Изд-во " Горное дело", 2011.-388 с.

3. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. М., "Недра ... горных пород и массивов. -М.: Недра, 1982.

4. Мурашев В.И. и др., Влияние влажности на свойства углей, В сб. "Вопросы горного давления" Сибирское отделение АН СССР, 1964, № 19.

5. Зубов П.И., Артемов В.М. Влияние надмолекулярной структуры исходных каучуков на свойства смесей цис-1,4-полибутадиен-натуральный каучук//Колл. журн.- 1972.- Т. 34.-№ 1,- С.53-58.

6. Гамаюнов М.И. Осмотический массоперенос: монография / М.И. Гамаюнов, С.Н. Гамаюнов, В.А. Миронов. Тверь: ТГТУ, 2007. - 228 с. 153

7. Волощук С.Н., Андреев Г.Г., Мельниченко В.Н. Кондиционирование воздуха на глубоком руднике. - М.: Недра, 1975. - 152 с.

8. Криворучко A.M. Влияние породного массива на изменение влажности воздуха в выработках глубоких шахт. - В кн.: Материалы семинара по горной теплотехнике. Вып. 5. — Киев: Изд-во Института техн. информ., 1964, с. 101-103.

9. Венгеров И.Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Анализ парадигмы. Т. 1. Донецк: Норд-Пресс, 2008. - 632с.

Ю.Ушаков К.З., Бурчаков A.C., Медведев И.И. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1975.-440с.

П.Сухан JL, Байер М. Термодинамика рудничной атмосферы. М.: Недра, 1978.-255с.

12.Казанцев В.Г. Метод конечных и граничных элементов в механике твердого тела. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-т, 2010. - 207 с.

13.Линьков A.M. Метод решения трехмерных задач о пластовых выработках и геологических нарушениях /A.M. Линьков, В.В. Зубков, М.А. Хейт /УФТПРПИ. 1997. №4. С. 3-25.

Н.Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород.-Алма-Ата :Наука, 1975. 238с.

15.Казанцев В.Г., Золотых С.С. Диагностика и управление состоянием массива горных пород. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001,- 468 с.

16.Казанцев, В.Г. К задаче о структурном анализе и диагностике состояния горного массива / В.Г. Казанцев, К.В. Шестаков, М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. - № 2. -С. 5-19.

17.Круковская В.В. К расчету фильтрации газа в трещиновато-пористой неоднородной среде, Межведомственный сборник научных трудов -Геотехническая механика. Выпуск 51

18.Малинникова О.Н., Автореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора технических наук, условия формирования и методология прогнозирования газодинамических явлений при техногенном воздействии на угольные пласты

19.ГОСТ Р 52917-2008 Методы определения влаги в аналитической пробе.

20.Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. Л. :Недра, 1972,321с.

21.Лыков А. В. Теория сушки. М.-Л.: Энергия, 1968. - 471 с.

22.В. Г. Золотин Определение энергетического уровня связи воды с диспергированным углем, Межведомственный сборник научных трудов - Геотехническая механика. Выпуск 51

23.Ворошилов, С.П. Влияние влаги на окисление каменных углей/ С.П. Ворошилов, Я.С. Ворошилов, A.C. Ворошилов, В.А. Уварова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2008. - № 2. -С. 68-82.

24.Егоров, П.В. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых / П.В. Егоров. -Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. - 560 с.

25.Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам и внезапным выбросам (к разделу 5 главы II Правил безопасности на угольных шахтах), (проект). - С-Пб.: ВНИМИ, 1999. -133 с.

26.Справочник химика: Справ, изд. / под ред. Б. П. Никольского и др. -2-е изд. -Л.: Химия, т.З. 1965.-1008 с.

27.Бейлин, М.И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей /М.И. Бейлин. М.: Недра, 1969. - 235 с.

28.Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия. М.: Химия, 1980. 600 с.

29.Meehan F.T. The Expansion of Charcoal on Sorption of Carbon Dioxide //Proc. Roy. Soc. 1927. Vol. Al 15. P. 199-205.

ЗО.Заливин С.H. Моделирование адсорбционной деформации микропористых адсорбентов, диссерт. К.т.н., Тверь, 2010

31.Школин A.B., Адсорбционно-стимулированная деформация микропористого углеродного адсорбента с узким распределением пор

по размерам при адсорбции углеводородов в широких интервалах давлений и температур, диссерт. К.т.н., Москва, 2008

32.Агроскин A.A. Физика угля. М.: Недра, 1965. - 352 с.

33.Кулак М.И. Фрактальная механика материалов. Мн.: Выш. Шк., 2002. -304 е.: ил.

34.ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. М., 1982. - 9 с.

35.ГОСТ 28985-91 Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. М. :Изд-во стандартов. 1991.

36.Протодьяконов М. М., Кудря Н. А. Экспресс-метод определения временного сопротивления сжатию и модуль упругости горных пород. Институт горного дела АН СССР, 1962.

37.Сазонов, М.С. Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2011. - № 1. - С.41-48.

38.Ковдерко В.Э. О природе внутренних напряжений в горных породах, HiTac4>epa/Lithosphere. 1995. № 3. С. 134-139.

39.Бунин И.Ж., Ковалева И.Б., Одинцев В.Н., Соловьева В.А. Проблема добычи метана и физико-химические особенности строения и разрушения углей - Материалы II всероссийской научной конференции "Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий", 2002, с. 202-205.

40.Ищук И.Г., Чирков С.Е., Аболевский Б.Н., Тимме A.A. Хрупко-пластические свойства углей различной степени углефикации.-Гидравлическая добыча угля, 1966, № 3, с.

41.Сазонов, М.С. Зависимость показателя дробимости каменных углей от влагосодержания/ A.C. Ворошилов, М.С. Сазонов, К.С. Лебедев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С. 99 - 102.

42.А.И. Дмитриев, С.Г. Псахье Исследование формирования динамических вихревых структур при сдвиговом нагружении материалов с системой пор различного масштаба // Физ. мезомех. -2006.-Т. 9. - № 3. - С. 23-32

43.В.В. Мокряков Исследование зависимости эффективных податливостей плоскости с решеткой круговых отверстий от параметров решетки Вычислительная механика сплошных сред. -2010. - Т. 3, № 3. - С. 90-101

44.Городцов В.А., Лисовенко Д.С. К механике углеродных и других слоистых наноусов. Инженерная Физика. 2009, N 4, С.36-38.

45.Конёк Д.А., Войцеховски К.В.2, Плескачевский Ю.М.1, Шилько С.В.1 Материалы с отрицательным коэффициентом пуассона (обзор) Механика композитных материалов и конструкций (Москва) - 2004.-том 10, № 1-е. 35-69.

46.Ворошилов, А.С Моделирование изменения объема каменных углей в зависимости от их влагосодержания / A.C. Ворошилов// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С. 88-91.

47.Сазонов, М.С. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния микропористого адсорбента при различных влажностях / М.С. Сазонов, В.Г. Казанцев, С.П. Ворошилов, К.С. Лебедев, A.C. Ворошилов// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. -№ 2. - С. 72-79.

48.Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов Текст. / Р. Хоникомб. М.: Мир, 1972. - 408 с.

49.Аннин Б. Д., Черепанов Г. П. Упруго-пластическая задача. — Новосибирск: Наука (Сибирское отд.), 1983. — 238 с.

50.Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М., Изд-во Моск.ун-та, 1978. 287 с.

51.Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука. - 1969. - 420 с.

52.Койтер В. Общие теоремы в теории упруго-пластических сред. М.: ИЛ, 1961.

53.Икрин, В.А. Сопротивление материалов с элементами теории упругости и пластичности/ В.А. Икрин. М.: АСВ. - 2004 ... / Б.Г. Коренев. — М.: Госстройиздат. — 1954.

54.Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972.- 544 с.

55.Борисов А. Л. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980, -360 с.

56.Егоров П. В., Бобер Е. А., Кузнецов Ю. Н., Косьминов Е. А., Решетов С. Е., Красюк Н. Н. Основы горного дела: Учебник для вузов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2000.

57.Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер-пресс, 2002. — 223 е., ил.

5 8.Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах. / Под общ. ред. Д. Г. Красковского. М.: Компьютер-Пресс, 2002. - 224 с.

59.Басов К. А. Графический интерфейс комплекса ANS YS. М.: LVR Пресс, 2006. 248с.

60.ANSYS Basic Analysis Procedures Guide. ANSYS Release 9.0. ANSYS Inc., 2004.

61.Каплун, А. Б. Ansys в руках инженера: Практическое руководство Текст. /

62.А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М: Едиториал УРСС, 2003 - 272 с.

бЗ.Чигарёв, A.B. ANSYS для инженеров: Справ. Пособие Текст. / А.В.Чигарёв, А.С.Кравчук, А.Ф.Смалюк. М.: Машиностроение-1, 2004.

64.Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский A.C. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. Изд.2, испр. 2010. 456 с.

65.Официальный сайт Ansys, http://www.ansys.com/

66.Малинин Н.Н: Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.

67.Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986.560с.

68.Сазонов, М.С. Исследования изменения влажности угольного массива под воздействием шахтной атмосферы /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2012. - № 2. - С..

69.Ханова А. А. Интерполяция функций, http://www.nnspu.ru.

70.Петухов И.М. Горние удары на угольных шахтах. М.; "Недра", 1972. -221 с.

71.Петухов И. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов. М., Недра, 1983,280 с.

72.Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М. Недра. 1986.

73.Ставрогин А.Н. Механика деформирования и разрушения горных пород/ А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня—М.: Недра, 1992.

74.Ильюшин, A.A. Пластичность. Основы общей математической теории / A.A. Ильюшин. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 272 с.

75.Сазонов, М.С. Исследование зависимости показателя удароопасности углей различной степени метаморфизма от влагосодержания угля во время его сушки /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2011. - № 2. -С.125-131.

76.Вылегжанин, В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н.Вылегжанин, П.В.Егоров, В.И.Мурашев. - Новосибирск: Наука, 1990. - 160 с.

77.A.M. Линьков, И.М. Петухов К теории разрушения пласта угля послойным отрывом. Горное давление и горные удары. ВНИМИ. Сб. 88. Ленинград, 1973.

78.Мурашев, В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ на основе исследований геомеханических процессов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.25.01. - Кемерово, 1979. - 363 с.

79.Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05328-99).

80.Геодинамическое районирование недр: Методические указания. -Л.: ВНИМИ, 1990. 129 с.

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

/AUX 15

IOPTN,IGES,NODEFEAT

IOPTN,MERGE,YES

IOPTN,SOLID,YES

IOPTN,SMALL,YES

IOPTN,GTOLER, DEFA

IGESIN/Ploskaya zadacha2';iGS'

APLOT

/VIEW,1„,1

/ANG,1

/REP, FAST

/PREP7

ET, 1,plane 183

IŒYOPT,l,3,2

KEYOPT, 1,5,0

KEYOPT, 1,6,0

*AFUN,deg

/DSCALE,ALL, 1.0

/ replot

* SET,eic 1,50000

* SET,eic2,33000

* SET,eic3,1261 *SET,eic3d,619 *SET,eic3k, 3.056 *SET,nuicl,0.15 *SET,nuic2,0.2 *SET,nuic3,0.3 *set,forceicl,7.5

* set,forceic2,2.25 *SET,POPI,300

* SET,POP2,3.13

* SET,POP4,3.73 *SET,alfa,0.003333 *SET,tp,l 1

* SET,howtimesP,50

* SET,delta,0.01 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP, 1,0 MPDATA,EX, 1 ,,eic MPDATA,PRXY, 1 „nuic

SMRT,6 MSHAPE,0,2D MSHKEY,0 FLST,5,5,5,ORDE,2 FITEM,5,6 FITEM,5,-10 CM,_Y,AREA ASEL, ,,,P51X CM,_Y1,AREA

chkmsh/area

CMSEL,S,_Y AMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FLST,5,195,2,ORDE, 18 FITEM,5,1 FITEM,5,-7 FITEM,5,30 FITEM,5,-33 FITEM,5,36 FITEM,5,-100 FITEM,5,113 FITEM,5,-148 FITEM,5,161 FITEM,5,-166 FITEM,5,179 FITEM,5,-185 FITEM,5,201 FITEM,5,-226 FITEM,5,239 FITEM,5,-276 FITEM,5,289 FITEM,5,-294 CM,_Y,ELEM ESEL,,, ,P51X CM,_Y1,ELEM CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y EREF,_Y1,, ,1,0,1,1 CMDELE,_Y1 * get,n_elem,elem„count /POST1

ETABLE,x,CENT,X ETABLE,y,CENT,Y

/PREP7

*DIM,fw,ARRAY,n_elem, 1,1,,, *DIM,modu,ARRAY,n_elem, 1,1,,, *DIM,w,ARRAY,n_elem, 1,1,,, *DIM,tmpr,ARRAY,n elem, 1,1,,, /prep7

*do,i,l,n_elem

*GET,xi,ELEM,i,ETAB,x

*GET,yi,ELEM,i,ETAB,y

* if,y i,LE,-400,then

ez=eicl

nz=nuicl

*else

*if,yi,LE,-200,then

ez=eic2

nz=nuic2

*else

*if,yi,LE,200,then

w20=0.009*tp* *2-0.263 *tp+5.022 ! 20 cm

w50=0.007*tp**2-0.216*tp+4.770 ! 50 cm

wl00=0.003*tp**2-0.112*tp+4.263 ! 100 cm

ri=abs(sqrt(xi* *2+yi* *2)-POP 1)

*if,ri,LE,20,then

*if,tp,LT,4,then

wi=4.11

*else

al=w20*(ri-50)*(ri-100)/2400

a2=-w5 0 * (ri-20)* (ri-100)/1500

a3=wl00*(ri-20)*(ri-50)/4000

wi=al+a2+a3

*endif

*else

*if,ri,LE,50,then *if,tp,LT,4,then wi=4.02 *else

al=w20*(ri-50)*(ri-100)/2400

a2=-w50* (ri-20)* (ri-100)/1500

a3=wl00*(ri-20)*(ri-50)/4000

wi=al+a2+a3

*endif

*else

*if,ri,LE, 100,then

*if,tp,LT,4,then

wi=3.87

*else

a 1 =w20* (ri-50)* (ri-100)/2400

a2=-w50* (ri-20)* (ri-100)/1500

a3=wl00*(ri-20)*(ri-50)/4000

wi=al+a2+a3

*endif

*else

wi=POP4

*endif

*endif

*endif

w(i)=wi

fei=l+(l/sqrt(8.89))*(l/exp(((wi-pop2)**2)/0.02))

fw(i)=fei

ez=fei*eic3

nz=nuic3

* if,wi,LE,3.7,then tr=(1.166*wi**2-7.109*wi+10.122) *else

tr=0

*endif

tmpr(i)=tr

BFE,i,TEMP,l,tr,

*else

* if,yi,LE,400,then ez=eic2 nz=nuic2

*else

ez=eicl

nz=nuicl

*endif

*endif

*endif

*endif

uimp,i,ex,ALPX,nuxy,ez,alfa,nz

emodif,i,mat,i

modu(i)=ez

*enddo

/POST1

ET ABLE,modue,CENT,X

*VPUT,modu,ELEM,modu,ETAB,modue,,,2

/POST1

ETABLE,fwe,CENT,X

*VPUT,fw,ELEM,fw,ETAB,fwe„,2

/POST1

ETABLE,we,CENT,X

*VPUT,w,ELEM,w,ETAB,we,,,2

/P0ST1

ETABLE,tmpre,CENT,X

*VPUT,tmpr,ELEM,tmpr,ETAB,tmpre,„2

/SOL

FLST,2,6,4,ORDE,6 FITEM,2,10 FITEM,2,18 FITEM,2,32 FITEM,2,44 FITEM,2,50 FITEM,2,62 DL,P51X, ,UX, FLST,2,1,4,ORDE, 1 FITEM,2,64 DL,P51X, ,UY, FLST,2,1,4,ORDE, 1 FITEM,2,38

SFL,P51X,PRES,forceicl,

FLST,2,5,4,ORDE,5

FITEM,2,14

FITEM,2,28

FITEM,2,40

FITEM,2,54

FITEM,2,66

SFL,P5 lX,PRES,forceic2,

/SOL

SOLVE

FINISH

/POST1

ETABLE,Def_l ,EPTO,EQV /prep7

epic=eic3 k/(eic3 -eic3 d) *DIM,modul ,ARRAY,n_elem, 1,1,,, *DIM,EM,ARRAY,howtimesP, 1,1,,, /prep7

*do,i,l,n_elem

*GET,xi,ELEM,i,ETAB,x

*GET,yi,ELEM,i,ETAB,y

* if,yi,LE,-400,then

ez=eicl

nz=nuic 1

*else

*if,yi,LE,-200,then

ez=eic2

nz=nuic2

*else

* if,y i,LE,200,then *GET,wi,ELEM,i,ETAB,we *GET,fwi,ELEM,i,ETAB,fwe *GET,Defï,ELEM,i,ETAB,Def_l

* if,Defi,LE,epic,then ez=fwi*eic3 nz=nuic3

*else

sigmai=fwi*(eic3d*defi+eic3k)

ez=(sigmai/Defi)/( 1 +(sigmai-2 * sigmai*nuic3 )/(3 * eic3 * Défi))

nz=nuic3

*endif

*if,wi,LE,3.7,then

tr=(1.166*wi**2-7.109*wi+10.122)

*else

tr=0

*endif

tmpr(i)=tr

BFE,i,TEMP,l,tr,

*else

* if,y i,LE,400,then ez=eic2 nz=nuic2

*else

ez=eicl

nz=nuicl

*endif

*endif

*endif

*endif

uimp,i,ex,ALPX,nuxy,ez,alfa,nz

emodif,i,mat,i

modu(i)=ez

*enddo

/SOL

FLST,2,6,4,ORDE,6 FITEM, 2,10 FITEM,2,18 FITEM,2,32 FITEM,2,44 FITEM,2,50 FITEM,2,62

DL,P51X, ,UX, FLST,2,1,4,0RDE, 1 FITEM,2,64 DL,P51X, ,UY, FLST,2,1,4,ORDE, 1 FITEM,2,38

SFL,P51 X,PRES ,forceic 1, FLST,2,5,4,ORDE,5 FITEM,2,14 FITEM,2,28 FITEM,2,40 FITEM,2,54 FITEM,2,66 /GO !*

SFL,P5 lX,PRES,forceic2,

/SOL

SOLVE

FINISH

* do,h,2,howtimesP /POST1

ETABLE,Def_%h%,EPTO,EQV /prep7

epic=eic3k/(eic3-eic3d) *DIM,modu%h%,ARRAY,n_elem,l,l,,, *DIM,Ra°/oh%,ARRAY,n_elem, 1,1,,, /prep7

*do,i,l,n_elem

*GET,xi,ELEM,i,ETAB,x

*GET,yi,ELEM,i,ETAB,y

* if,yi,LE,-400,then ez=eicl nz=nuicl

*else

*if,yi,LE,-200,then

ez=eic2

nz=nuic2

*else

*if,yi,LE,200,then *GET,wi,ELEM,i,ETAB,we *GET,fwi,ELEM,i,ETAB,fwe *GET,Defi,ELEM,i,ETAB,Def_%h%

* if,Defi,LE,epic,then ez=fwi*eic3 nz=nuic3

*else

sigmai=fwi* (eic3 d* defi+eic3 k)

ez=(sigmai/Defi)/( 1 +(sigmai-2 * sigmai*nuic3 )/(3 * eic3 * Defi))

nz=nuic3

*endif

* if,wi,LE,3.7,then tr=(1.166*wi**2-7.109*wi+10.122) *else

tr=0

*endif

tmpr(i)=tr

BFE,i,TEMP,l,tr,

*else

* if,yi,LE,400,then ez=eic2 nz=nuic2

*else

ez=eicl

nz=nuicl

*endif

*endif

*endif

*endif

uimp,i,ex,ALPX,nuxy,ez,alfa,nz

emodif,i,mat,i

modu%h%(i)=ez

*enddo

*do,y,l,n_elem m2y=modu%h%(y) m 1 y=modu%h-1 %(y) ray=(m2y-m 1 y) * *2 Ra%h%(y)=ray *enddo

*VSCFUN,RaS%h%,SUM,Ra%h%

* SET,EM%h%,sqrt(RaS%h%) EM(1)=0 EM(h)=EM%h%

* if,EM%h%,LT,delta,then *exit

*endif /SOL

FLST,2,6,4,ORDE,6 FITEM,2,10 FITEM,2,18 FITEM,2,32

FITEM,2,44 FITEM,2,50 FITEM,2,62 DL,P51X, ,UX, FLST,2,1,4,ORDE, 1 FITEM,2,64 DL,P51X, ,UY, FLST,2,1,4,ORDE, 1 FITEM,2,38

SFL,P51 X,PRES,forceic 1,

FLST,2,5,4,ORDE,5

FITEM,2,14

FITEM,2,28

FITEM,2,40

FITEM,2,54

FITEM,2,66

SFL,P5 lX,PRES,forceic2,

/SOL

SOLVE

FINISH

*enddo

/POST1

ETABLE,moduhe,CENT,X

*VPUT,modu%h%,ELEM,modu%h%,ETAB,moduhe,„2