Влияние относительного расстояния между уступами на НДС породы забоя

© В.В. Аксенов, В.Ю. Бегляков, 2012

В.В. Аксенов, В.Ю. Бегляков

ВЛИЯНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ УСТУПАМИ НА НДС ПОРОДЫ ЗАБОЯ

Описано влияние расстояния между уступами на напряжения в породе забоя, описана зависимость расстояния между уступами от расстояния до оси выработки, выявлены наличие критического отношения расстояния между уступами к толщине срезаемого слоя и признаки, характеризующие центральную область забоя.

Ключевые слова: геоход, исполнительный орган, порода забоя, главные напряжения.

В настоящее время ведутся работы по созданию геоходов нового поколения [1, 2], одной из отличительных черт которых должен стать новый подход к проектированию исполнительных органов проходческих систем. Суть подхода заключается в том, что рациональная форма поверхности взаимодействия исполнительного органа с породой забоя входит в число исходных данных при проектировании исполнительного органа.

В работе [3] рассматривалось влияние уступа на напряженно-деформированное состояние (НДС) породы забоя, где было обосновано, что для исполнительного органа геохода разрушение забоя с уступом является предпочтительным по сравнению с разрушением забоя без уступа.

При формировании и разрушении уступов форма забоя геохода представляет собой концентрическую группу много-заходных геликоидных поверхностей (рис. 1), шаг которых равен шагу винтовой линии движителя, а число заходов равно количеству разрушающих элементов (коронок, барабанов, шнеков и т.п.), размещенных на одном радиусе.

К основным геометрическим параметрам забоя с уступами относятся толщина срезаемого слоя h (высота уступа) и расстояние между уступами к На развертке цилиндрического сечения радиусом г, соосного с выработкой, параметры h и ! являются катетами треугольника аВс, (рис. 1).

Рис. 1. Концентрическая группа многозаходных геликоидных поверхностей, формирующих забой выработки геохода и развертка цилиндрического сечения забоя

Указанные параметры уступа определяются расстоянием от оси выработки г, шагом винтовой линии движителя hв и количеством уступов п.

. Ьа п . 2nR

h = ^р I =-^р

п п

Учитывая, что гоэр =

2 жг

h =

2 жгЬ,

I =

(2 -г )2

п,]^ +(2 жг )2 +(2 жг )2

Для характеристики участка забоя введем безразмерный критерий пропорциональности — относительная высота уступа, численно равный отношению = Иг Подставив ! и h в определение относительной высоты уступа, получим связь между шагом движителя, расположением точки забоя и пропорциями профиля уступа:

I, = ^ или I, = tg р

Из выражений (4) видно, что относительное расстояние между уступами изменяется в зависимости от шага движителя и радиальной координаты. Чтобы оценить его влияние на НДС породы забоя была создана модель, у которой отношение расстояния между уступами к толщине срезаемого слоя изменялось от 1/40 до 4.

Для исключения влияния других факторов модель была выполнена в виде прямого каскада уступов с профилем, соот-

ветствующим развертке цилиндрического сечения выработки (рис. 2).

Места приложения нагрузок

Рис. 2. Модель развертки участка забоя и схема разбиения её на конечные элементы

Модель разбивалась на 6-ти узловые конечные элементы с уплотнением сетки в области исследуемого уступа (рис. 2).

К поверхностям контакта инструмента с массивом прикладывались распределенные нагрузки нормальная 2,6 МПа и касательная 0,6 МПа (рис. 3).

В ходе моделирования определялись главные напряжения а3 в области контакта инструмента с породой при раз-

Рис. 3.Схема приложения нагрузки к модели

ных относительных расстояниях

Зависимость напряжений от относительного расстояния между уступами показана на графиках 4. В ходе моделирования было выявлено:

• при относительных расстояниях между уступами ^ < 1 (г < 0.1 Ив) усиливается влияние г и ^ на о-(рис. 4);

1

0,5 0

-0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4

0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2

о3

¡/к

0,6 у о3 (МПа) 0,4

0,2

0

-0,2

-0,4

-0,6 -0,8 -1

¡/к 3 4

Рис. 4. Графики зависимостей главных напряжений 03 от относительного расстояния между уступами: а — области внутренней кромки, б — средняя часть поверхности взаимодействия, в — в области внешней кромки

1

2

3

4

а

б

в

• имеет место критическое значение относительного расстояния между уступами;

• при относительных расстояниях между уступами ^ < 0.2 (г < 0.032Ив) на поверхности взаимодействия преобладают области трехосного сжатия (рис. 5);

к=о.1

К=0.175

К=0.225

. .. Л '

К=0.25

К=03

......^ ^ 4 4 4 4 ./ /

№35

К=0А

К=05

К=0.75

У /

К=1 К'17

Рис. 5. Области трехосного сжатия

к=з

• результаты моделирования, подтверждают результаты исследований, проведенных на модели цилиндрической выработки с уступом [3].

Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1) напряжения в области поверхности взаимодействия зависят от отношения радиальной координаты точки к шагу винтовой линии движителя;

2) с уменьшением радиальной координаты появляется преобладание сжимающих напряжений;

3) зависимость напряжений от радиальной координаты значительно проявляется в центральной области забоя и имеет неявный характер в периферийных областях;

4) преимущества способа обработки забоя с уступом утрачиваются в центральной части забоя;

5) в центральной области забоя необходимо применять способ разрушения, от личный от способа, применяемого в периферийных областях.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. — Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. — 264 с., ил.

2. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2010 — ОВ № 3. С. 49-54.

3. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Буялич Г.Д., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2011 — ОВ № 2. С. 55-67. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Аксенов Владимир Валерьевич — доктор технических наук, профессор, v.aksenov@icc.kemsc.ru,

Бегляков В.Ю. — старший преподаватель, begljakov@rambler.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.