Investigación de la ley de deformación de carriles guía bajo la acción de la deformación minera en un pozo vertical de mina.

Feb 11, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5604 (2023) Citar este artículo

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Para sentar las bases para aliviar la influencia de la deformación del eje minero (MSD) en el riel guía (GR) y monitorear el estado de deformación del eje, este artículo estudia la ley de deformación y el mecanismo del riel guía bajo el MSD. En primer lugar, se utiliza un resorte para simplificar la interacción entre el revestimiento del eje y la masa de suelo rocoso circundante (SRSM) bajo MSD, y su coeficiente de rigidez se deduce mediante el método de reacción elástica de la subrasante. En segundo lugar, se establece un modelo de elementos finitos simplificado basado en el elemento de resorte, se calcula el coeficiente de rigidez mediante la fórmula de derivación y se verifica su efectividad. Finalmente, se analiza la ley y el mecanismo de deformación del GR bajo diferentes tipos y grados de MSD, y se estudian las características de deformación bajo la desconexión entre el eje, el bunton y el riel guía. Los resultados muestran que el modelo de elementos finitos establecido puede simular mejor la interacción entre el revestimiento del eje y el SRSM, y la eficiencia del cálculo mejora considerablemente. La deformación del riel guía (GRD) tiene una gran capacidad para caracterizar MSD y posee la característica distintiva correspondiente a diferentes tipos y grados de MSD y el estado de conexión. Esta investigación puede proporcionar referencia y orientación para el monitoreo de la deformación del eje y el mantenimiento e instalación del GR, y también sienta las bases para estudiar las características de operación del transporte de elevación bajo MSD.

El eje vertical de minería es la ingeniería de garganta crucial y su estado de deformación determina directamente la seguridad de la producción de la mina de carbón. Afectados por factores como la aparición de vetas de carbón, la litología, el método de extracción y un pilar de carbón protector irrazonable, los estratos suprayacentes se mueven y deforman fácilmente durante la extracción de vetas de carbón, lo que a su vez conduce al MSD1,2. MSD incluye principalmente inclinación, flexión, dislocación, cambio de sección horizontal, compresión vertical, etc. Cuando se produce la compresión vertical, el efecto de soporte del SRSM en el eje se elimina en la dirección vertical hacia arriba, que es diferente del mecanismo de fuerza de otros tipos de deformación3. MSD no solo provoca la ruptura del revestimiento del eje y el chorro de agua y arena, sino que también induce el GRD, agrava la resistencia de elevación y la inestabilidad del medio de elevación e incluso provoca atascos o caídas4,5. En la Fig. 1 se muestra un sistema de elevación de mina típico. Debido al gran volumen y las complejas condiciones geológicas del pozo, su investigación de tensión y deformación bajo la acción minera se lleva a cabo principalmente mediante monitoreo de campo y cálculo numérico. El monitoreo de campo recopila datos de deformación del suelo y del eje a través del Sistema de Posicionamiento Global, lidar, rejilla de fibra, etc., y analiza los datos de monitoreo para obtener la ley de deformación del eje y los principales factores que conducen a su deformación6,7.

Sistema de elevación de minas.

Para comprender en profundidad las principales causas de los MSD, el mecanismo de daño y la influencia de los parámetros de construcción en su estabilidad, se han llevado a cabo una gran cantidad de cálculos numéricos. Kwinta8 utilizó un método de Knothe modificado para predecir el desplazamiento continuo del pozo causado por las actividades mineras. Bruneau9 estableció un modelo de análisis numérico de pozo en Map 3D y analizó la influencia de las fallas y la secuencia minera en la estabilidad del pozo principal. Sun5 empleó el método Trigon de código de elemento distintivo universal para establecer un modelo numérico del eje y estudió su mecanismo de deformación durante la minería de relleno. Zhao10 analizó la influencia de los parámetros de construcción en la estabilidad del pozo principal en la mina Jinchuan No. 3 a través de un modelo numérico bidimensional, que incluye principalmente la profundidad del pozo, el espesor del revestimiento y la tecnología de construcción del desplazamiento de liberación. Yan11 estudió la influencia de la relación de compresión del relleno en la deformación del eje mediante ABAQUS y determinó la relación de compresión óptima para la seguridad y estabilidad del eje. Ma12 descubrió mediante simulación numérica que el alto ángulo de buzamiento de los yacimientos, fallas y fracturas es la razón principal del colapso del pozo vertical de la mina de níquel Jinchuan. Dias13 utilizó el modelo de elementos finitos establecido por CESAR-LCPC para analizar la influencia de la secuencia de construcción y la deposición geológica en la capacidad del pozo, especialmente el asentamiento inducido. Walton14 construyó un modelo tridimensional de diferencias finitas de eje circular y elíptico mediante el Código Universal de Elementos Distintos y estudió los factores que afectan la estabilidad relativa de la geometría del eje. La investigación anterior analiza principalmente la influencia de la geometría, los parámetros de construcción y las condiciones geológicas en la estabilidad del eje mediante simulación numérica, analiza el tipo, la ley, la causa y el mecanismo de MSD y descuida su influencia en el GRD. La GRD bajo MSD no sólo conduce al cambio de las características operativas en el sistema de elevación, sino que también refleja el estado de deformación del eje hasta cierto punto, por lo que se debe estudiar la ley GRD.

El pozo vertical es una estructura espacial enterrada a gran profundidad, y la principal diferencia con la estructura sobre el suelo es la interacción entre el pozo y el SRSM. Para estudiar el MSD mediante simulación numérica, es necesario establecer el modelo del revestimiento del eje y SRSM, y su ancho debe ser varias veces el diámetro del eje para reducir la influencia de los efectos de contorno, lo que resulta en una escala de cálculo excesiva, por lo que la interacción debería simplificarse. La interacción entre la estructura subterránea y el SRSM se simplifica principalmente mediante el elemento de resorte. Jeong15 estableció un modelo simplificado de viga de cimentación elástico-plástica utilizando el coeficiente de rigidez del resorte de la curva p-y para simplificar la interacción entre el suelo y la pared de unión, y los resultados calculados fueron consistentes con los resultados de las pruebas a pequeña y gran escala. Mitelman16 utilizó el resorte para simplificar la interacción entre el pilar de mineral y el cuerpo, dedujo las ecuaciones de estimación de su desplazamiento y tensión, y verificó la precisión del método simplificado a través del modelo de elementos finitos establecido por Rocscience. Zlatanović17 aprovechó elementos de viga-resorte discretos para estudiar la interacción entre el suelo y la estructura del túnel, y la comparación con los resultados del cálculo del modelo de elementos finitos continuos confirmó su fiabilidad. Ramezani18 modeló el suelo de cimentación utilizando resortes de torsión y traslación, calculó los modos de balanceo y deslizamiento del muro de contención, y su resultado fue consistente con los calculados por ANSYS. Sun19 simuló la interacción entre tubería y suelo a través del elemento de resorte COMBIN39, y su confiabilidad fue confirmada por la fórmula teórica. Zhao20 utilizó el elemento de resorte COMBIN39 para simplificar la interacción entre el eje y SRSM en condiciones no mineras, y verificó la efectividad del método simplificado comparándolo con los resultados del cálculo de ANSYS. La investigación anterior muestra la viabilidad del elemento de resorte para simplificar la interacción entre el eje y el SRSM bajo el MSD.

Con el objetivo de estudiar la ley GRD bajo MSD, se propone un método para simplificar la interacción entre el pozo de acción minera y el SRSM mediante el uso de elementos de resorte. La fórmula de cálculo del coeficiente de rigidez del resorte se deduce mediante el método de reacción de subrasante elástica, y ANSYS establece un modelo de cálculo simplificado basado en el elemento de resorte COMBIN39, y su coeficiente de rigidez se calcula de acuerdo con la fórmula de derivación y se verifica la efectividad. Al analizar las leyes de GRD de diferentes tipos y grados de MSD, se revela el mecanismo de interacción entre el eje y el GR, y se obtiene la característica de deformación de la guía en diferentes estados desconectados entre el eje, el bunton y el GR.

Aunque el GRD no puede reflejar directamente el daño del eje, puede reflejar la tendencia de deformación del eje y el mecanismo entre ellos hasta cierto punto, y la característica del GR es la premisa de estudiar las características operativas del medio de elevación bajo el MSD, de ahí el El estudio de GRD es de gran importancia para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de elevación y el eje. El estudio de GRD bajo MSD se centra principalmente en la ley de deformación y las características del GR bajo varios tipos y grados de deformación del eje. Para facilitar la aplicación de la carga del eje, simplificar el paso de cálculo y mejorar la eficiencia del cálculo, se utiliza el elemento de resorte para simplificar la interacción entre el eje y SRSM. El diagrama esquemático se muestra en la Fig. 2. El proceso de cálculo específico del coeficiente de rigidez del elemento de resorte es el siguiente.

Diagrama esquemático de la acción de simplificación del SRSM.

El método de reacción elástica de la subrasante supone que la resistencia horizontal del SRSM a la estructura solo está relacionada con el desplazamiento estructural, las propiedades del suelo y la profundidad enterrada21,22, y la fuerza es proporcional al desplazamiento. Su relación se muestra en la ecuación. (1).

donde p es la resistencia horizontal del SRSM a la estructura por unidad de área, z es la profundidad, x es el desplazamiento horizontal de la estructura, k es el coeficiente de resistencia (RC) en dirección horizontal a la profundidad z, n es el índice y \ (n > 0\), \(n = 1\) es el método de reacción de subrasante elástico lineal, \(n \ne 1\) es el método de reacción de subrasante elástico no lineal.

Cuando la masa de suelo rocoso alrededor de la estructura es un lecho de roca, la estabilidad es fuerte y generalmente se supone que el RC en la dirección horizontal no cambia con la profundidad y solo está determinado por la litología23,24. Cuando se trata de roca blanda o capa superficial del suelo, la RC en dirección horizontal varía con la profundidad bajo una misma litología, la cual generalmente se determina según la Ec. (2).

donde m es el coeficiente proporcional del coeficiente de resistencia (PCRC) en dirección horizontal.

Bajo la misma litología del lecho de roca, la RC en dirección horizontal no cambia con la profundidad, y se expresa en la Ec. (3) para obtener el coeficiente de rigidez del elemento de resorte de la resistencia horizontal del lecho de roca al revestimiento del eje.

donde d es el diámetro del revestimiento del eje, h es la distancia vertical entre resortes adyacentes, L es el número total de resortes en la dirección circunferencial del eje.

En la superficie exterior del eje en el segmento de la capa superior del suelo, el número total de capas de resortes es s de arriba a abajo. Tomando cada capa de resortes como línea divisoria, el eje se divide en s segmentos. Se calcula la suma de los coeficientes de resistencia horizontal dispersos del eje entre el primer y el segundo resorte. Con su posición media como punto de demarcación, la suma de los coeficientes de resistencia correspondientes en las partes superior e inferior es equivalente a los resortes superior e inferior respectivamente. El coeficiente de rigidez equivalente se muestra en las ecuaciones. (4) y (5). En la Fig. 3 se muestra un diagrama esquemático de los coeficientes de rigidez del resorte.

donde \(m_{1}\) es el PCRC en dirección horizontal en la capa superior del suelo, \(z_{1}\) es la profundidad de la primera capa del manantial.

Diagrama esquemático de los coeficientes de rigidez del resorte.

En el segmento de la capa superior del suelo, el efecto de resistencia del eje del i-ésimo segmento es equivalente a los coeficientes de rigidez de los resortes i e i + 1 como se muestra en las Ecs. (6) y (7). El principio de equivalencia es el mismo que en la primera parte, excepto que cambia la ley de distribución de los coeficientes de resistencia horizontal dispersos.

donde \(m_{j}\) es el PCRC en dirección horizontal de la j-ésima capa de suelo, \(z_{i}\) y \(z_{i + 1}\) son las profundidades de los manantiales del i e i + 1 capas, respectivamente.

Combinando la fórmula anterior, finalmente se obtienen los coeficientes de rigidez elástica de cada capa de la capa superior del suelo, como se muestra en la ecuación. (8).

El análisis de modelos de elementos finitos es un medio importante para estudiar las leyes de GRD bajo MSD. ANSYS es un software de análisis de elementos finitos general y a gran escala. Incluye el elemento SOLID65 especialmente diseñado para materiales de hormigón, que muestra una gran practicidad en estructuras de hormigón. APDL (Lenguaje de diseño paramétrico ANSYS) puede agregar fácilmente elementos de resorte para simular la interacción entre el eje y SRSM. Por lo tanto, ANSYS se utiliza para establecer un modelo de elementos finitos simplificado a través del elemento resorte.

Con base en los parámetros geométricos del eje auxiliar de Zhangshuanglou, se establece un modelo de elementos finitos para el análisis GRD bajo MSD, como se muestra en la Fig. 4, la altura es 263 m, el radio exterior es 4,45 m, el intervalo entre los buntons es 4 m , y la longitud del GR es de 12 my el espacio entre ellos es de 4 mm. Para evitar la influencia de la combinación de masas de suelo rocoso alrededor del pozo, la capa superior del suelo se dispone alternativamente con arcilla arenosa y arcilla, y el lecho de roca es arenisca y limolita fina. La altura de cada capa es de 10 m y la altura total de la capa superior del suelo es de 60 m. GR y bunton utilizan el mismo material. Se supone que la masa de suelo rocoso, el eje, el GR y el bunton son todos materiales elásticos lineales. Los parámetros de cálculo se muestran en la Tabla 1.

Modelo de elementos finitos basado en el elemento de resorte de SRSM bajo MSD.

El revestimiento del eje utiliza un elemento SOLID65 integral en el que se dispersa la barra de refuerzo y se desactiva la función de trituración. GR y bunton adoptan el elemento BEAM188, la longitud y el ancho de la sección son de 0,2 my el espesor es de 10 mm. La resistencia a la deformación del SRSM actúa sobre el revestimiento del eje a través de elementos de resorte verticales y radiales, que son elementos COMBIN39 y solo están comprimidos. Un extremo del elemento de resorte está fijo, el otro extremo está conectado al nodo de revestimiento del eje y su coeficiente de rigidez se obtiene de acuerdo con el RC en la Tabla 1. La parte inferior del eje adopta la restricción fija y el MSD se logra mediante imponiendo una condición límite de desplazamiento forzado en el revestimiento del eje. La dirección a lo largo del bunton se define como el eje x, la dirección perpendicular al bunton es el eje y, la dirección positiva está alejada del interior del eje, la dirección a lo largo del eje se define como el eje z, la dirección positiva es vertical hacia arriba y su origen está ubicado en el centro de la superficie superior. La profundidad de la superficie superior es 0 m.

Debido a la restricción de las condiciones de producción en el campo, así como a la aleatoriedad e incertidumbre del tipo y tiempo de deformación del pozo minero, las condiciones de la prueba de campo son difíciles de cumplir. El enorme tamaño del eje conduce a una gran constante de similitud en la prueba del modelo a escala, y provoca que las dimensiones de la sección transversal del GR y del bunton en el modelo a escala sean pequeñas, que no se pueden fabricar ni instalar en el modelo a escala. Con base en las razones anteriores, la efectividad del elemento de resorte para simplificar la interacción entre el eje y SRSM se verifica mediante los resultados del cálculo del elemento sólido.

El modelo de elementos finitos basado en el elemento sólido del SRSM se muestra en la Fig. 5, y su tamaño es 100 × 100 × 263 m. La interfaz circundante del SRSM está limitada por el desplazamiento normal y la superficie inferior está limitada por el desplazamiento normal. Otros parámetros de cálculo son los mismos que los del modelo de cálculo del elemento de resorte.

Modelo de elementos finitos basado en elementos sólidos de SRSM.

Debido a la simetría de la carga aplicada y la disposición del GR, las leyes de deformación del GR en diferentes direcciones son simétricas, por lo que se selecciona como objeto de investigación el GR de un solo lado en la dirección negativa de los ejes x e y. Se aplica la misma carga de desplazamiento coseno en la dirección x a los dos modelos respectivamente, y el resultado del cálculo del GRD se muestra en la Fig. 6. La deformación básicamente coincide en las direcciones x e y, y la ley de deformación es la misma. en la dirección z, sólo la amplitud es diferente. Este resultado indica la precisión del modelo simplificado de elementos finitos basado en elementos de resorte.

GRD bajo diferentes modelos de cálculo.

El modelo basado en un elemento de resorte no necesita establecer un SRSM de tamaño completo y la escala de cálculo se reduce considerablemente en comparación con el elemento sólido, lo que reduce en gran medida los requisitos de rendimiento de la computadora y mejora en gran medida la eficiencia del cálculo, como se muestra en la Tabla 2. El número de grillas se reduce 16,5 veces y el tiempo de cálculo se reduce 9,7 veces. Además, no es necesario agregar contacto entre el eje y SRSM, lo que simplifica los pasos de cálculo y mejora la tasa de éxito de la simulación. Los parámetros de la estación de trabajo utilizados en el cálculo se muestran en la Tabla 3.

El modelo experimental del eje se muestra en la Fig. 7. El sensor de distancia láser PT5070F está montado en una pista con un control deslizante que se puede mover hacia adelante y hacia atrás para medir el GRD en diferentes posiciones. Los datos de deformación se transmiten a la plataforma de adquisición de datos LabVIEW a través de la tarjeta de adquisición de datos LabJackT4 para realizar el registro y preprocesamiento de los datos. El eje está hecho de caucho, el SRSM se reemplaza por arena fina y el bunton y GR están hechos de aleación de aluminio. Sus parámetros geométricos se muestran en la Tabla 4. Debido al tamaño del revestimiento del eje y la disposición del bunton y GR, este experimento puede verificar el GRD en el rango de 20 m de la parte superior del modelo de elementos finitos. El modelo experimental y el modelo de elemento de resorte del eje tienen el mismo tipo de deformación y se compara el GRD. Dado que los modelos anteriores no siguen el teorema de similitud, sólo se puede realizar una comparación cualitativa. Se elimina algo de arena fina en la parte inferior de un lado del modelo experimental del eje y el movimiento de la arena fina superior impulsa el eje para producir una deformación inclinada. Mientras tanto, la carga de desplazamiento inclinado se agrega al modelo del elemento de resorte dentro del rango de 20 m, y se compararon los resultados del cálculo GRD.

Modelo experimental de eje.

En la Fig. 6a, el GRD en la dirección horizontal tiene un buen efecto de seguimiento sobre la deformación del eje, y el GRD en esta dirección y su profundidad correspondiente están normalizados, como se muestra en la Fig. 8. La deformación de las olas en la parte inferior de los dos Los modelos son opuestos, y la deformación en el experimento es menor que en el modelo de elemento de resorte, principalmente debido a las diferentes restricciones en la parte inferior del eje. El eje del modelo experimental se fija al recipiente de acero inoxidable mediante pernos, lo cual es aproximadamente una restricción fija, mientras que el modelo de simulación solo aplica carga de desplazamiento al eje local superior y el rango de deformación se extiende hacia abajo hasta cierto punto, lo que resulta en la aumento del valor de deformación del carril guía inferior. Sin embargo, la tendencia general de deformación del modelo de elemento de resorte es consistente con el modelo experimental. La deformación del riel guía disminuye con el aumento de la profundidad y va acompañada de la deformación de las olas. La amplitud de la deformación de las olas aumenta con el aumento de la profundidad. Además, se demuestra que el modelo de elemento de resorte es un método eficaz para analizar el GRD bajo MSD.

Deformación del riel guía del elemento resorte y modelo experimental.

MSD no solo causa GRD, sino que también conduce fácilmente a la desconexión entre el eje, el bunton y GR. Las características del GRD se analizan bajo la conexión normal entre ellos, la desconexión del eje del bunton y la desconexión del bunton del GR. La inestabilidad del medio de elevación se debe principalmente a la deformación horizontal del GR. Puede verse en la Fig. 6 que la deformación horizontal del riel guía en la misma dirección que la deformación del eje tiene un buen seguimiento de la deformación del eje, está altamente correlacionada con la tendencia de deformación del eje y otras direcciones horizontales son relativamente bajo, por lo que la atención se centra principalmente en la característica de deformación y la ley del GR correspondiente a la deformación del eje en la dirección horizontal. Debido a que el mecanismo de acción de la deformación por compresión vertical del eje es diferente de otros tipos de deformación, se centra principalmente en la inclinación, flexión, dislocación y deformación de la sección horizontal del eje.

A partir de la posición de −250 m, el eje está inclinado en la dirección positiva del eje x y las velocidades de inclinación son 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 y 1 mm/m, respectivamente. El GRD correspondiente a la dirección x se muestra en la Fig. 9. Se puede encontrar que el GRD es aproximadamente lineal y básicamente consistente con la deformación del eje. Sus valores máximos de deformación son 49,1, 97,9, 146,5, 195,5 y 244,2 mm, y se reduce en cierta medida en comparación con la deformación por inclinación del eje. El GR dentro de una cierta profundidad desde la superficie superior del eje tiene deformación tanto lineal como fluctuante. El período de la deformación por fluctuación es de 4 m, que es el intervalo entre los buntones adyacentes, y su amplitud y rango de deformación aumentan con el agravamiento de la deformación por inclinación. El GR por debajo de la posición inicial de la deformación de inclinación solo produce una deformación de fluctuación con un período de 4 m, y la amplitud aumenta con el agravamiento de la deformación de inclinación.

GRD en dirección x bajo inclinación.

El GR inferior tiene una acción de estiramiento en la parte superior, pero la acción de apoyo del bollo sobre el GR dificulta el estiramiento, lo que conduce a la deformación inversa del GR con el bollo como centro, formándose la deformación de fluctuación en la parte superior. . El GR por encima de la posición inicial de la deformación inclinada hace que la parte inferior tienda a inclinarse, y la restricción del bunton sobre el GR restringe esta deformación, lo que resulta en la deformación por fluctuación de la parte inferior. Con el agravamiento de la deformación por inclinación, el GRD aumenta básicamente linealmente, y la amplitud y el rango de la deformación por inclinación aumentan, lo que tiene una buena relación de caracterización para el tipo y grado de deformación por inclinación del eje.

Para que la desconexión sea representativa entre bunton, GR y eje bajo deformación inclinada, las posiciones de desconexión se seleccionan en las partes superior, media e inferior del eje, que son − 239, − 119, − 71 y − 11 m respectivamente. La Figura 10 muestra la deformación en la dirección x del GR bajo deformación inclinada cuando el bunton está desconectado del GR. En la Fig. 10a, la deformación es básicamente la misma que la de la conexión normal excepto cerca de la posición de desconexión. En la posición desconectada - 239 m, está escalonado con alturas de 0,4, 1,8, 2,3, 4,3 y 4,9 mm, respectivamente. Aumenta con el agravamiento de la deformación de la inclinación, y la tasa de cambio primero aumenta y luego disminuye. La posición desconectada se ve afectada por la deformación inclinada del eje, y la longitud acumulada del GR debajo de él es relativamente pequeña, lo que resulta en una energía de deformación acumulada relativamente pequeña del GR cerca de la parte inferior de la posición de desconexión, pero la energía de deformación cerca de la parte superior de la posición de desconexión es mucho más grande que el de la parte inferior. Cuando el bunton se desconecta del GR, se libera energía de deformación, de modo que la deformación del GR en la parte superior de la posición de desconexión es mayor que la de la parte inferior, formando una forma escalonada.

GRD en dirección x bajo inclinación cuando el bunton está desconectado de GR.

La ley de deformación cerca de la posición desconectada en − 119 y − 71 m es básicamente la misma, como se muestra en la Fig. 10b,c, con forma de diente de sierra, la altura aumenta con el agravamiento de la deformación inclinada y su valor mínimo es 3,1 mm. y el valor máximo es 9,4 mm. Dado que la posición de desconexión está ubicada en el medio de la deformación por inclinación del eje, la diferencia en la energía de deformación acumulada cerca de las partes superior e inferior de la posición de desconexión es relativamente pequeña, y la deformación causada por la liberación de la energía de deformación es Básicamente es igual, por lo que tiene forma de diente de sierra. Cuando el bunton y el GR se desconectan a - 11 m como se muestra en la Fig. 10d, el GR en ambos lados de la posición desconectada se deforma al revés, mostrando un diente de sierra de dos direcciones. El valor pico a pico del diente de sierra bidireccional aumenta con el agravamiento de la deformación inclinada, y el valor mínimo es de 9,8 mm y el valor máximo es de 36,5 mm, lo que excede con creces el valor permitido del GRD estipulado por el carbón. Normas de seguridad minera. El estiramiento del GR superior hacia el inferior hace que el bunton superior se estire mucho hacia abajo, induciendo al bunton a doblarse hacia abajo. Cuando el bunton superior se desconecta del GR, la deformación por flexión del bunton en la posición desconectada se libera en gran medida y la deformación en otras posiciones se reduce hasta cierto punto, pero la curvatura sigue siendo grande. Bajo la acción de la deformación por flexión, GR se deforma hacia el lado con una curvatura más pequeña, es decir, la dirección negativa del eje x, formando un diente de sierra de dos vías. A través del análisis anterior, se encuentra que las leyes de deformación de GR correspondientes a diferentes posiciones desconectadas son distintas. La parte inferior es escalonada, la del medio es de diente de sierra y la parte superior es de diente de sierra bidireccional. A medida que aumenta la deformación de la inclinación, aumenta su amplitud de deformación. La posición de desconexión cerca del suelo tiene un mayor impacto en el GRD y es fácil provocar accidentes de elevación.

Cuando el bunton se desconecta del eje en diferentes posiciones, la deformación en la dirección x del GR bajo deformación por inclinación se muestra en la Fig. 11. La ley del GRD básicamente no cambia en la posición desconectada de − 239, − 119 y − 71 m. , y la ley general de GRD es fundamentalmente la misma que en el estado de conexión normal. El período se vuelve 8 ma - 11 m, como se muestra en la Fig. 11d, y es el doble de la distancia entre buntons adyacentes, pero la amplitud básicamente no cambia. La desconexión entre el eje y el bunton pierde su efecto de soporte sobre el bunton, el efecto restrictivo del bunton desconectado sobre el GR no es válido y el GR se deforma bajo la acción del bunton de intervalo, lo que finalmente hace que el período del GRD cambio en esta posición. Dado que el efecto de soporte del bunton superior sobre el GR es mucho más fuerte que el de las partes media e inferior, la posición de desconexión superior afecta fácilmente la deformación de la guía. La desconexión del bunton y el eje tiene menos influencia en el GRD que la separación del bunton y GR, por lo que se debe prestar atención al estado de conexión del bunton y GR bajo la deformación inclinada del eje.

GRD en dirección x bajo inclinación cuando el bunton está desconectado del eje.

El segmento de −140 a −120 m del eje actúa sobre la deformación por flexión dada en la dirección x, que es de tipo coseno, las amplitudes son 1, 2, 3, 4 y 5 mm a su vez. El GRD en la dirección x se muestra en la Fig. 12, hay una flexión aproximadamente simétrica de − 146 a − 119 m, y los rangos de deformación son (− 143.1, − 119.1), (− 147.1, − 119.1), (− 147,9, − 119,1), (− 148,7, − 119,1) y (− 149,8, − 119,1) m, que son mayores que el rango de deformación por flexión del eje. El valor máximo de GRD es 0,99, 1,96, 2,93, 3,90 y 4,87 mm, la posición correspondiente es − 130,2 my es la posición de máxima deflexión del eje. Existen diferencias en la ley GRD en ambos lados de la deflexión máxima, el lado derecho es una curva suave y el lado izquierdo es una curva escalonada inclinada. La curva escalonada inclinada se debe principalmente a la asimetría del bunton con respecto a la posición de máxima deflexión del eje. El bunton más cercano a la posición de máxima deflexión del eje está ubicado en su lado inferior, la deflexión máxima de GR aparece cerca del bunton bajo su acción, y la relación de distancia causa la acción anterior en el lado inferior de la deflexión máxima del eje. ser mucho mayor que el lado superior, por lo que la tasa de atenuación de la deformación de la guía es relativamente lenta por encima de la posición de deflexión máxima del eje. Sin embargo, el efecto del bunton adyacente más superior sobre él aumenta aún más su tasa de atenuación y adquiere una forma escalonada. Existe una relación correspondiente entre el GRD y la deformación por flexión del eje. A medida que aumenta la amplitud de la deformación por flexión del eje, la amplitud y el rango de la deformación por flexión del GR aumentan y la ley de deformación es la misma. Indica la sensibilidad y confiabilidad del GRD para caracterizar la deformación por flexión del eje.

GRD en dirección x bajo flexión.

GRD aparece una fluctuación débil periódica fuera de una cierta distancia de la región de flexión del eje, su período es de 4 m y su amplitud básicamente no cambia con la deformación de flexión del eje, lo que indica que su influencia sobre el GR es limitada. De -119 a -106 m, la deformación generalmente presenta un arco invertido, y su amplitud es mayor que otras posiciones de la deformación de fluctuación y aumenta con el agravamiento de la deformación de flexión del eje. La restricción del bunton sobre la deformación por flexión del GR lo somete a una fuerza en la dirección x negativa e impulsa al GR a moverse a lo largo de la dirección x negativa dentro de un cierto rango, y finalmente se produce el arco invertido. La fluctuación se debe principalmente al efecto de restricción del bunton sobre el GR. La acción de la gravedad hace que el GR se deforme en la dirección vertical, y las restricciones limitan esta deformación, lo que hace que la mitad superior del GR entre buntons adyacentes se deforme a lo largo de la dirección x negativa, y la mitad inferior se deforme a lo largo de la dirección x positiva. , y la articulación tiene la deformación más pequeña y es el punto de partida de la fluctuación periódica. La amplitud máxima de las fluctuaciones anteriores es de solo 0,02 mm, la verticalidad y la rectitud cumplen con los requisitos de las especificaciones de instalación de GR y, en general, es recta, lo que indica aún más la racionalidad de los parámetros de conexión iniciales del bunton, GR y el eje.

Las posiciones de desconexión son − 11, − 47, − 83, − 107, − 119, − 131, − 143, − 155, − 179, − 215 y − 251 m en secuencia, y se encuentran en toda la posición de flexión y en ambos lados. del eje. Debido a la misma ley GRD bajo diferentes grados de deformación por flexión del eje, se estudia que la amplitud de la deformación por flexión del eje es de 1 mm en el momento de la desconexión. La Figura 13 muestra la ley del GRD cuando el bunton se desconecta del GR bajo acción de flexión. El GR en la posición desconectada se deforma en dirección opuesta y su amplitud es de 0,38 mm fuera del rango de deformación por flexión del eje, que es aproximadamente 7 veces la amplitud de la deformación por fluctuación. La amplitud máxima se produce a - 119 m y es aproximadamente 14 veces la amplitud. Esta posición de desconexión está ubicada en la unión de la deformación por flexión del eje, y el bunton debajo de ella está situado en el área de acción de la deformación por flexión del eje, por lo que el GR debajo está sujeto a la acción anterior, lo que resulta en su amplitud anormalmente prominente. La posición desconectada en − 131 m está ubicada en el medio del área de deformación por flexión del eje, el GR por encima produce la deformación inversa y su amplitud es 5 veces mayor que la deformación por fluctuación, y la deformación por debajo es básicamente la misma. que el de la conexión normal. Debido a la deformación por flexión del eje, el extremo del bunton adyacente en la posición desconectada se dobla hacia el interior del eje, lo que provoca que el bunton cerca de la posición de desconexión se doble hacia abajo, el GR inferior se dobla en la dirección x positiva. dirección, y el GR superior se deforma en la dirección opuesta, lo que eventualmente conduce a que el GR ocurra una deformación opuesta en la posición desconectada entre el bunton y el GR.

GRD en dirección x bajo flexión cuando el bunton está desconectado de GR.

Cuando el bunton se desconecta del eje bajo la acción de la deformación por flexión del eje, el GRD se muestra en la Fig. 14. Cuando la desconexión está fuera de la deformación por flexión del eje, el período de la deformación por fluctuación cambia en la posición de desconexión y se convierte en 8 m, y la amplitud básicamente no cambia. Cuando la posición desconectada está ubicada a - 119 m en la unión superior de la deformación por flexión del eje, la ley GRD en el lado inferior de la posición desconectada es básicamente la misma que la de la conexión normal. La deformación en el lado superior de la posición desconectada se extiende en la dirección x negativa, lo que se debe principalmente al efecto de flexión del GR inferior en la dirección x positiva y al efecto de restricción inversa del GR superior en la posición desconectada. Cuando la posición desconectada se ubica a − 143 m en el cruce inferior, la deformación disminuye en el lado superior cerca de la posición desconectada y aumenta en el lado inferior. El GR por encima de esta posición desconectada está ubicado en el área de deformación por flexión del eje, actúa sobre el GR con una fuerza activa en la dirección x positiva, produciendo así un efecto de tracción sobre el GR inferior en la dirección x positiva. El bunton en esta posición de desconexión está ubicado fuera del área de deformación por flexión del eje. Cuando es una conexión normal, produce una restricción negativa en la dirección x en el GR para disminuir su tasa de atenuación de la deformación por flexión, la restricción anterior se elimina en el estado de desconexión y causa un aumento en la tasa de atenuación de la deformación por flexión del GR. lo que induce una disminución en el GRD superior cerca de la posición desconectada. y aumenta el rango de deformación por flexión del GR y el valor de deformación debajo de él.

GRD en dirección x bajo flexión cuando el bunton está desconectado del eje.

Cuando la posición desconectada es −131 m en el área de deformación por flexión del eje, la ley de deformación cerca de la posición desconectada es básicamente la misma que la de la conexión normal, y el período y la amplitud no cambian significativamente. Cuando el bunton desconectado está ubicado en el área de deformación por flexión del eje, y el bunton adyacente tiene una fuerte fuerza de deformación por flexión sobre el GR al mismo tiempo, incluso si un solo bunton está desconectado del GR, su condición de fuerza es básicamente sin cambios, lo que básicamente no produce cambios en su ley de deformación y amplitud. Cuando el bunton desconectado está fuera del rango de deformación por flexión del eje, el período de deformación GR en la posición desconectada cambia, pero la amplitud no cambia. Cuando el bunton desconectado se ubica en la unión de la deformación de flexión del eje, la deformación y el período en la posición desconectada cambian al mismo tiempo. La desconexión entre el bunton y el eje bajo la acción de deformación por flexión tiene poca influencia en la ley de deformación del GR, y se debe centrar la atención en la conexión entre el bunton y el GR.

Para una deformación de dislocación del eje dada en la dirección x de − 130 a − 90 m, la amplitud es 1, 2, 3, 4 y 5 mm en la posición de dislocación de − 130 m y se convierte en 0 mm en − 90 m, y la tasa de atenuación es 0,025, 0,05, 0,075, 0,010 y 0,0125 mm/m. El GRD bajo acción de dislocación se muestra en la Fig. 15. La deformación máxima del GR es 0,94, 1,88, 2,82, 3,78 y 4,72 mm, y su posición es − 126,2 m, que es más alta que la posición de dislocación del eje, pero su amplitud básicamente no cambia en comparación con la amplitud de dislocación del eje. La distancia entre los bunton adyacentes hace que sea difícil coincidir con la posición de la deformación por dislocación del eje, y el efecto de deformación por dislocación se transmite al GR a través del bunton, por lo que este efecto hace que la deformación máxima del GR ocurra cerca del bunton, y su posición se mueve hacia arriba que la posición de dislocación del eje. El rango de influencia de la deformación por dislocación en el GRD es (− 143,5, − 88,3), (− 143,9, − 88,3), (− 146,7, − 88,3), (146,9, − 88,3) y (− 146,9, − 88,3) m. , que es mucho mayor que el alcance de acción de la deformación por dislocación del eje. El eje sobre la interfaz de dislocación produce un efecto de estiramiento en la parte inferior, su parte inferior se mueve hacia la dirección x positiva y expande el rango de deformación del eje, pero la resistencia del SRSM al eje restringe el rango de transmisión del efecto anterior, lo que induce que el rango de deformación del GR es mucho mayor que el rango de acción de la deformación por dislocación del eje. Existen diferencias en la ley de deformación del GR en ambos lados de la amplitud máxima, el lado superior muestra la tendencia de atenuación de la deformación por inclinación y su tasa de atenuación es básicamente la misma que la deformación por dislocación del eje, acompañada de deformación por fluctuación. El lado inferior tiene una tendencia a la deformación por flexión, y la tasa de atenuación primero aumenta y luego disminuye a medida que se aleja de la amplitud máxima, que se debe principalmente a la deformación posterior del eje debajo de la interfaz de dislocación. El GRD correspondiente a la dislocación del eje es una combinación de inclinación y flexión. Con el aumento de la deformación por dislocación, la pendiente de la deformación inclinada de GR, la curvatura de la deformación por flexión y el aumento de la amplitud máxima, que son obviamente diferentes de la característica de deformación de GR bajo flexión o inclinación del eje, y hay una buena relación de mapeo para la dislocación del eje.

GRD en dirección x bajo dislocación.

La Figura 16a muestra la deformación en la dirección x del GR cuando se desconecta del bunton bajo la acción de la dislocación del eje, su posición es − 11, − 47, − 83, − 107, − 119, − 131, − 143, − 155, − 179, − 215 y − 251 m, y el GR en posición desconectada genera la deformación contraria. El valor pico a pico de la deformación opuesta fuera del rango de dislocación del eje es de aproximadamente 0,4 mm, y es aproximadamente 20 veces la deformación por fluctuación, que se debe principalmente a la liberación de la interacción entre el GR y el bunton bajo la acción de la gravedad. . Cuando la desconexión entre el bunton y GR es − 107 y − 119 m en el área de dislocación del eje, el valor pico a pico de la deformación opuesta es 0,53 y 0,57 mm, respectivamente, y su valor aumenta menos en comparación con el exterior del Región de deformación por dislocación del eje. Además, el valor pico a pico en la unión de la deformación por flexión del eje es básicamente el mismo que el que se produce fuera del área de dislocación del eje. Cuando el bunton se desconecta del eje en diferentes posiciones, el GRD se muestra en la Fig. 16b. La deformación disminuye cerca del lado superior de la posición desconectada de - 143 m, el lado inferior aumenta y su mecanismo de deformación es el mismo que en esta posición bajo la acción de la deformación por flexión del eje, por lo que la explicación no se repite aquí. . Otras posiciones desconectadas básicamente no cambian en amplitud, y solo el período se convierte en el doble de la deformación de fluctuación. La ley de deformación es básicamente la misma que la de la conexión normal, excepto la posición de desconexión anterior, por lo tanto, la influencia de la deformación por dislocación del eje en el GR no tiene una atenuación obvia debido a la desconexión entre el bunton y el GR.

GRD en dirección x bajo dislocación cuando la conexión es anormal.

El eje del segmento de −130 a −110 m impone un desplazamiento dado en la dirección x de modo que su sección transversal es aproximadamente elíptica, el eje corto es el eje x y el eje largo es el eje y, y el La amplitud se produce en la intersección de la pared exterior del eje y el eje x. Se atenúa uniformemente en ambos lados a lo largo del eje y y se vuelve 0 mm en la intersección del eje y el eje y, y la curva de atenuación es coseno. La Figura 17 muestra el GRD cuando las amplitudes del cambio de sección horizontal del eje son de 1, 2, 3, 4 y 5 mm a su vez. El GRD de −134,9 a −107,4 m se ve afectado principalmente por el cambio de sección horizontal, y el intervalo se mantiene básicamente sin cambios con el agravamiento del cambio de sección horizontal. La deformación es generalmente trapezoidal, la sección media es una línea recta horizontal acompañada de deformación por fluctuación y el área de transición decae rápidamente, generalmente una línea recta inclinada. Con el aumento de la amplitud de deformación del cambio de sección horizontal, el GRD de −134,9 a −130,5 m muestra el fenómeno de arqueamiento local, que se vuelve más severo con el agravamiento de la deformación anterior. El fenómeno anterior ocurre cerca del cruce de la zona de acción e influencia del cambio de sección horizontal. El bunton en el área de acción sigue al eje para deformarse en la dirección x positiva, y el GRD en el área afectada se ve menos afectado por el cambio de sección horizontal del eje y el bunton en el área afectada tiene un fuerte efecto restrictivo sobre la deformación de la guía en el En la dirección x positiva, y el GR en el área de acción existe un fuerte efecto de estiramiento sobre el GR en esta posición, lo que induce el fenómeno de arqueo local.

GRD en dirección x bajo cambio de sección horizontal.

Las amplitudes del GRD son 0,33, 0,70, 1,04, 1,38 y 1,73 mm correspondientes a cada cambio de sección horizontal, y es una gran atenuación en relación con la deformación del eje. La amplitud de la deformación por fluctuación de −107,4 a −73,1 m aumenta con el agravamiento del cambio de sección horizontal, su amplitud no es una regla de cambio obvia de −73,1 a −46,9 m, y la amplitud de −46,9 a 0 m disminuye. El fenómeno anterior se debe principalmente al fuerte efecto de restricción del bunton de la zona de transición en el GR y al fuerte efecto de estiramiento del GR inferior en la parte superior. La ley de deformación del GR es básicamente la misma bajo las diferentes amplitudes del cambio de sección horizontal del eje, pero existen diferencias obvias en la amplitud, lo que existe una buena relación correspondiente entre el cambio de sección horizontal del eje y la ley de deformación de el GR.

Cuando el bunton se desconecta del GR, su posición es − 11, − 47, − 83, − 107, − 119, − 131, − 143, − 179, − 215 y − 251 m, respectivamente, y el GRD se muestra en Fig. 18a bajo cambio de sección horizontal. Genera la deformación opuesta en la posición desconectada, y su máximo pico a pico ocurre en la zona de transición del cambio de sección horizontal en −107 my su valor es 0,94 mm. El bunton desconectado en el área de transición se ubica en el exterior de la deformación del eje y tiene poco efecto de deformación en el GR, y el bunton debajo del área de transición se ubica en el área de deformación del eje y sigue la deformación del eje para impulsar el GRD, lo que causa una Aparece una gran diferencia de fuerza entre los buntons adyacentes y el valor máximo de pico a pico. En el área de cambio de sección horizontal del eje a − 119 m, el valor de pico a pico es de 0,43 mm, y su valor es básicamente el mismo que la posición de desconexión fuera del área de acción del cambio de sección horizontal del eje. La desconexión entre el bunton y GR en el área de transición tiene la mayor influencia en el GRD, lo que fácilmente puede conducir a una deformación anormal.

GRD en la dirección x bajo la sección horizontal cambia cuando la conexión es anormal.

La Figura 18b es el GRD correspondiente a la desconexión entre el bunton y el eje bajo el cambio de sección horizontal del eje. La desconexión fuera del área de acción y transición de la deformación del eje solo cambia el período de deformación de fluctuación cerca de la posición de desconexión y su valor es de 8 m, y la amplitud básicamente no cambia. En el área de acción de deformación del eje, el valor máximo de pico a pico es de 1,12 mm en la posición de desconexión de −119 m, y el valor de pico a pico en −107 y −131 m en las áreas de transición superior e inferior es de 0,57 y 0,62 mm respectivamente. Los botones en ambos lados de la posición desconectada están ubicados en el área de acción de deformación del eje, están sujetos al efecto de tracción del eje en la dirección x positiva, pero el botón en la posición de desconexión carece del efecto anterior, lo que eventualmente conduce a Arco invertido local cerca de la posición. El principio de deformación del GR en la posición de desconexión de la zona de transición es el mismo que el anterior, excepto que un lado del bunton está ubicado en la zona de acción y el otro lado está ubicado en la zona de transición. Sin embargo, el efecto en la zona de transición es relativamente débil, lo que da como resultado un valor pico a pico relativamente más bajo. Cuando el bunton se desconecta del GR o del eje, el cambio de sección horizontal tiene una gran influencia en el GRD, por lo que se debe prestar atención al estado de la conexión.

Para estudiar la ley GRD bajo el MSD se deduce la fórmula de cálculo del coeficiente de rigidez del resorte que simplifica la interacción entre el eje y el SRSM y se establece el modelo de cálculo de elementos finitos basado en el elemento resorte para el análisis de la ley de deformación del GR bajo MSD, y se obtienen las siguientes conclusiones:

El modelo de cálculo de elementos finitos basado en el elemento de resorte puede simular mejor la interacción entre el eje y SRSM. En comparación con el modelo de elementos sólidos, los pasos de cálculo son simples y la escala de cálculo se reduce considerablemente, lo que mejora en gran medida la eficiencia del análisis de simulación.

Existen diferencias obvias en la ley de deformación del GR bajo diferentes tipos de MSD, está altamente correlacionada con la tendencia de deformación del eje y tiene una gran capacidad para caracterizar la deformación del eje. Bajo el mismo tipo de MSD, el GRD aumenta significativamente con el agravamiento de la deformación del eje, el rango de GRD se expande en contraste con la deformación del eje y la amplitud se atenúa hasta cierto punto. El rango de deformación bajo la acción de dislocación tiene la mayor capacidad de expansión y la amplitud tiene la tasa de caída más rápida bajo el cambio de sección horizontal.

Cuando el bunton se desconecta del GR debajo del MSD, el GRD en la posición desconectada es básicamente un diente de sierra bidireccional y su valor pico a pico es diferente debido a la posición de desconexión y el tipo de MSD. Cuando el bunton se desconecta del eje, el período del GRD se duplica en la posición desconectada, básicamente no tiene influencia en la amplitud excepto por el cambio de sección horizontal. En comparación con la desconexión del bunton y GR, tiene menos impacto y se debe prestar atención al estado de conexión entre el bunton y GR.

El artículo sólo estudia la ley de deformación del GR bajo el tipo MSD único. Con la continua profundización del pozo y las condiciones geológicas cada vez más complejas, se debe estudiar más a fondo la ley de deformación del GR bajo el tipo MSD compuesto.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China [números de subvención: 51975569, 51675520].

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Jianlong Zhao, Chi Ma, Xingming Xiao y Yuqiang Jiang

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Jinna Han

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JZ y CM escribieron el texto principal del manuscrito y JH, XX e YJ prepararon las Figs. 1, 2 y 3. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Chi Ma o Jinna Han.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhao, J., Ma, C., Han, J. et al. Investigación de la ley de deformación de carriles guía bajo la acción de la deformación minera en pozos verticales de minas. Representante científico 13, 5604 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32767-2

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Recibido: 12 de octubre de 2022

Aceptado: 02 de abril de 2023

Publicado: 05 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32767-2

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