Implementing FLAC3D model for simulating deformation mechanism of steel frame support set by actual profile

Abstract

Purpose. The problem of simulating steel frame irreversible deformation and displacement remains unsolved. The purpose of this research was to develop a new approach to simulation of frame yield support. Methods. We used combination of different methods, namely FLAC3D model, benchmark tests and materialistic frames profile in the form of primitive proxies in place of standard structural elements, for instance, beams, which are actually mathematical lines that have abstract geometrical characteristics of the frame profile. Findings. The research focused on the interaction of steel frame supports and the surrounding rocks during tail entry maintenance behind the longwall face to provide direct flow of air, which reduces methane explosion hazard. Originality. The proposed profile model can be helpful as a practical tool that can assist in frame support improvement during complex interaction of rock massif with frame support in difficult geological and geomechanical conditions. Practical implications. Owing to this approach, we were able to obtain practically all patterns of the actual frame profile behavior: frame turn and displacement, plastic hinge in coffering, longitudinal twisting and splitting, lateral bending, breakage and sliding in yield joints. Surprisingly, frame support behavior in computer model was extraordinary realistic despite primitive approximation of the frame profile, which demonstrates originality of the new approach.

Цель. Проблема компьютерного моделирования необратимых деформаций и перемещений стального рамного крепления остается нерешенной. Целью этого исследования была разработка нового подхода к компьютерному моделированию податливого рамного крепления. Методика. Мы применили комбинацию различных методов исследования, а именно: FLAC3D модель, стендовые испытания, а также материальный профиль рам в виде примитивных его заменителей вместо стандартных структурных элементов, например балок, которые являются фактически математическими линиями, имеющие абстрактные геометрические характеристики рамного профиля. Результаты. Исследовано взаимодействие стального рамного крепления и окружающих его пород при поддержании вентиляционной выработки позади очистного забоя для обеспечения прямоточного проветривания, что снижает опасность взрыва метана. Научная новизна. Предложенная модель профиля может быть полезным практическим инструментарием, который поможет усовершенствовать рамное крепление во время взаимодействия породного массива с рамным креплением в сложных геологических и геомеханических условиях. Практическая значимость. Благодаря такому подходу, мы смогли получить практически все образцы поведения реального рамного профиля: разворот рам в пространстве и их смещение, пластические прогибы в сводовой части арок, продольное скручивание и расщепление профиля, боковой изгиб, разрыв и проскальзывания в замках податливости. На удивление, поведение рамного крепления в компьютерной модели было чрезвычайно реалистичным, несмотря на примитивную аппроксимацию рамного профиля, что демонстрирует оригинальность нового подхода.

Мета. Метою роботи є виявлення зонального руйнування масиву навколо підземних виробок за допомогою промислових методів дослідження. Методика. Дослідження процесів зонального руйнування масиву навколо підземних виробок виконувалося за допомогою натурних експериментів з використанням методів спостережень і оцінок, маркшейдерських зйомок, розвантаження масиву, деформації свердловин і глибинних реперів. Результати. У промислових умовах отримані результати досліджень поведінки масиву гірських порід навколо підземних виробок, які дозволили визначити стійке співвідношення глибини руйнування масиву. Встановлено, що форма руйнування контуру підготовчих і очисних виробок прагнула до еліпсоїдної, що є максимально стійкою формою гірничої виробки. Зміна глибини деформації масиву по контуру очисних камер реалізується в основному за степеневою залежністю, а в прилеглих до них підготовчих виробках – в більшій мірі за експонентною. Наукова новизна. Складається в систематизації процесів зонального руйнування масиву навколо підземних виробок з метою використання енергії гірського тиску в технологіях розробки рудних родовищ. Практична значимість. Визначена стійка форма руйнування контурів підготовчих і очисних виробок і встановлені залежності зміни глибини деформації масиву, що вміщує виробки.