Investigación de la ley de deformación sobre rieles de guía bajo la acción de la deformación minera en el eje vertical de la mina

Aug 08, 2023

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 de minería (MSD) en el riel guía (GR) y monitorear el estado de deformación del eje, este documento estudia la ley de deformación y el mecanismo del riel guía bajo el MSD. En primer lugar, se usa 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 simplificado de elementos finitos basado en el elemento de resorte, se calcula el coeficiente de rigidez mediante la fórmula de derivación y se verifica su eficacia. Finalmente, se analiza la ley de deformación y el mecanismo de GR bajo diferentes tipos y grados de MSD, y se estudian las características de deformación bajo la desconexión entre eje, botón y 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 carril guía (GRD) tiene una fuerte 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 la operación característica 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 minería y un pilar de carbón protector irrazonable, los estratos superiores se mueven y deforman fácilmente durante la extracción de vetas de carbón, lo que a su vez conduce a la MSD1,2. MSD incluye principalmente inclinación, flexión, dislocación, cambio de sección horizontal, compresión vertical, etc. Cuando ocurre 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. El 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 a la elevación y la inestabilidad del transporte de elevación, e incluso provoca atascos o caídas4,5. En la Fig. 1 se muestra un sistema típico de izaje de una mina. 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 a través del monitoreo de campo y el 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 izaje de minas.

Para comprender en profundidad las principales razones de 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 eje causado por las actividades mineras. Bruneau9 estableció un modelo de análisis numérico de pozos en Map 3D y analizó la influencia de las fallas y la secuencia minera en la estabilidad del pozo principal. Sun5 empleó el método Universal Distinct Element Code Trigon para establecer un modelo numérico del eje y estudió su mecanismo de deformación en la minería de relleno. Zhao10 analizó la influencia de los parámetros de construcción en la estabilidad del eje principal en la mina No. 3 de Jinchuan a través de un modelo numérico bidimensional, que incluye principalmente la profundidad del eje, 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 pozo a través de ABAQUS y determinó la relación de compresión óptima para la seguridad y estabilidad del pozo. Ma12 descubrió a través de simulación numérica que el alto ángulo de buzamiento de los cuerpos minerales, las fallas y las fracturas es la razón principal del colapso del eje 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 eje, especialmente el asentamiento inducido. Walton14 construyó un modelo tridimensional de diferencias finitas de eje circular y elíptico a través del Código de elementos distintivos universales 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 a través de la simulación numérica, disecciona el tipo, la ley, la causa y el mecanismo de MSD y descuida su influencia en el GRD. El GRD bajo el MSD no solo conduce al cambio de la característica operativa 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 eje vertical es una estructura espacial enterrada a gran profundidad, y la principal diferencia con respecto a la estructura sobre el suelo es la interacción entre el eje y el SRSM. Para estudiar el MSD a través de la 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 por el elemento de resorte. Jeong15 estableció un modelo de viga de cimentación elástico-plástico simplificado 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 usó el resorte para simplificar la interacción entre el pilar del 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 continuo de elementos finitos confirmó su fiabilidad. Ramezani18 modeló el suelo de cimentación utilizando resortes de torsión y traslación, calculó los modos de oscilación y deslizamiento del muro de contención y su resultado fue consistente con los calculados por ANSYS. Sun19 simuló la interacción tubería-suelo a través del elemento de resorte COMBIN39 y su confiabilidad fue confirmada por la fórmula teórica. Zhao20 usó el elemento de resorte COMBIN39 para simplificar la interacción entre el eje y el SRSM bajo acción no minera, y verificó la efectividad del método simplificado comparándolo con los resultados de 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 eje 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 la subrasante elástica, y se establece un modelo de cálculo simplificado basado en el elemento de resorte COMBIN39 de ANSYS, y su coeficiente de rigidez se calcula de acuerdo con la fórmula de derivación y se verifica la efectividad. Al analizar las leyes GRD de diferentes tipos y grados de MSD, se revela el mecanismo de interacción entre el eje y GR, y se obtiene la característica de deformación de la guía bajo diferentes estados desconectados entre el eje, el botón y GR.

Aunque 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 de GR es la premisa de estudiar la característica operativa del transporte de elevación bajo el MSD, por lo tanto, 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 de 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, el elemento de resorte se utiliza para simplificar la interacción entre el eje y el 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 de 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 Ec. (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 en 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 lecho rocoso, la estabilidad es fuerte y generalmente se asume que la RC en la dirección horizontal no cambia con la profundidad y solo está determinada por la litología23,24. Cuando se trata de roca blanda o tierra vegetal, la RC en dirección horizontal varía con la profundidad bajo la misma litología, que generalmente se determina de acuerdo con la Ec. (2).

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

Bajo la misma litología del lecho rocoso, el RC en dirección horizontal no cambia con la profundidad, y se pone en la Ec. (3) para obtener el coeficiente de rigidez del elemento de resorte de la resistencia horizontal del lecho rocoso 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 tierra vegetal, 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). El diagrama esquemático de los coeficientes de rigidez del resorte se muestra en la Fig. 3.

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 de los resortes.

En el segmento de tierra vegetal, 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 de la i y i + 1 capas, respectivamente.

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

El análisis del modelo de elementos finitos es un medio importante para estudiar las leyes 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 de ANSYS) puede agregar fácilmente elementos de resorte para simular la interacción entre el eje y el SRSM. Por lo tanto, ANSYS se utiliza para establecer un modelo de elementos finitos simplificado a través del elemento de resorte.

Basado 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 de 263 m, el radio exterior es de 4,45 m, el intervalo entre los buntons es de 4 m , y la longitud del GR es de 12 my el desnivel entre ellos es de 4 mm. Para evitar la influencia de la combinación de masa de suelo rocoso alrededor del eje, la capa superior del suelo se dispone alternativamente con arcilla arenosa y arcilla, y el lecho rocoso 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, 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 elemento resorte de SRSM bajo MSD.

El revestimiento del eje utiliza un elemento integral SOLID65 en el que se dispersa la barra de refuerzo y se desactiva la función de trituración. GR y Bunton adoptan el elemento BEAM188, su largo y 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 de contorno 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 se aleja 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 de 0 m.

Debido a la restricción de las condiciones de producción en el campo, así como a la aleatoriedad y la incertidumbre del tipo y tiempo de deformación del eje minero, es difícil cumplir con las condiciones de la prueba de campo. El gran tamaño del eje conduce a una gran similitud constante en la prueba del modelo a escala, y provoca las pequeñas dimensiones de la sección transversal del GR y el bunton en el modelo a escala, que no se pueden fabricar e 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 el 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 de 100 × 100 × 263 m. La interfaz circundante del SRSM está restringida por el desplazamiento normal y la superficie inferior está restringida por el fijo. Otros parámetros de cálculo son los mismos que el modelo de cálculo del elemento de resorte.

Modelo de elementos finitos basado en elemento sólido de SRSM.

Debido a la simetría de la carga aplicada y el diseño 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 del 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 la dirección x e y, y la ley de deformación es la misma. en la dirección z, solo la amplitud es diferente. Este resultado indica la precisión del modelo de elementos finitos simplificado basado en el elemento de resorte.

GRD bajo diferentes modelos de cálculo.

El modelo basado en el 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 cuadrículas se reduce en 16,5 veces y el tiempo de cálculo se reduce en 9,7 veces. Además, no es necesario agregar contacto entre el eje y el 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 preprocesamiento y el registro de datos. El eje es de goma, el SRSM se reemplaza por arena fina y el bunton y GR son de aleación de aluminio. Sus parámetros geométricos se muestran en la Tabla 4. Debido al tamaño del revestimiento del eje y la disposición de Bunton y GR, este experimento puede verificar el GRD en la parte superior del rango de 20 m del modelo de elementos finitos. El modelo experimental y de elemento de resorte del eje tiene el mismo tipo de deformación, y se compara el GRD. Dado que los modelos anteriores no siguen el teorema de similitud, solo se puede hacer una comparación cualitativa. Se quita un poco de arena fina en la parte inferior de un lado del modelo de experimento 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 my se compararon los resultados del cálculo de GRD.

Eje modelo experimental.

En la Fig. 6a, el GRD en la dirección horizontal tiene un buen efecto de seguimiento en 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 del elemento de resorte, principalmente debido a las diferentes restricciones en la parte inferior del eje. El eje del modelo experimental se fija en el recipiente de acero inoxidable mediante pernos, que es una restricción aproximadamente 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 el 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 carril 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 efectivo para analizar el GRD bajo MSD.

Deformación del carril guía del elemento de resorte y modelo experimental.

MSD no solo causa GRD, sino que también conduce fácilmente a la desconexión entre el eje, el botón y el GR. Las características de los GRD se analizan bajo la conexión normal entre ellos, la desconexión del eje del botón y la desconexión del botón 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 el enfoque principal está 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, la flexión, la dislocación y la deformación de la sección horizontal del eje.

A partir de la posición de -250 m, el eje se inclina en la dirección positiva del eje x, y las tasas 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 una deformación tanto lineal como fluctuante. El período de la deformación por fluctuación es de 4 m, que es el intervalo entre botones 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 por inclinación solo produce una deformación por fluctuación con un período de 4 my la amplitud aumenta con el agravamiento de la deformación por inclinación.

GRD en dirección x bajo inclinación.

El GR inferior tiene una acción de estiramiento en la parte superior, pero la acción de soporte del bunton en el GR dificulta el estiramiento, lo que conduce a la deformación inversa del GR con el bunton como centro, formando 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 botón 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 básicamente aumenta linealmente, y la amplitud y el rango de la deformación por fluctuación 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 fuste bajo deformación inclinada, las posiciones de desconexión se seleccionan en las partes superior, media e inferior del fuste, 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 botón 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 escalonada con alturas de 0,4, 1,8, 2,3, 4,3 y 4,9 mm, respectivamente. Aumenta con el agravamiento de la deformación por 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 da como resultado 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 mayor que la de la parte inferior. Cuando se desconecta el botón del GR, se libera la energía de deformación, por lo que la deformación del GR en la parte superior de la posición de desconexión es mayor que en la parte inferior, formando una forma escalonada.

GRD en dirección x bajo inclinación cuando el botón 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 de 3,1 mm y el valor máximo es de 9,4 mm. Dado que la posición de desconexión está ubicada en el medio de la deformación de inclinación del eje, la diferencia en la energía de deformación acumulada cerca de la parte 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 lo mismo, por lo que tiene forma de diente de sierra. Cuando el botón 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 vías. 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 supera con creces el valor permitido del GRD estipulado por el carbón. normas de seguridad minera. El estiramiento del GR superior al inferior hace que el botón superior se estire mucho hacia abajo, lo que induce a que el botón se doble hacia abajo. Cuando el botón superior se desconecta del GR, la deformación por flexión del botón 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 está escalonada, el medio es de diente de sierra y la parte superior es de diente de sierra bidireccional. A medida que aumenta la deformación por inclinación, aumenta su amplitud de deformación. La posición de desconexión cerca del suelo tiene el mayor impacto en el GRD y es fácil que provoque accidentes de elevación.

Cuando el botón se desconecta del eje en diferentes posiciones, la deformación en la dirección x del GR bajo la deformación por inclinación se muestra en la Fig. 11. La ley 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 convierte en 8 m en − 11 m, como se muestra en la Fig. 11d, y es el doble de la distancia entre botones 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 se agote. cambio en esta posición. Dado que el efecto de soporte del botón superior en 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 el GR, por lo que se debe prestar atención al estado de conexión del bunton y el GR bajo la deformación inclinada del eje.

GRD en dirección x bajo inclinación cuando el botón 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 de 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 m y es la posición de máxima desviación del eje. Hay 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 botón con respecto a la posición de máxima deflexión del eje. El botón más cercano a la posición de deflexión máxima del eje se encuentra en su lado inferior, la deflexión máxima de GR aparece cerca del botón bajo su acción, y la relación de distancia provoca 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 desviación máxima del eje. Sin embargo, el efecto del botón adyacente superior más alejado aumenta aún más su tasa de atenuación y se convierte en la 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, aumentan la amplitud y el rango de la deformación por flexión del GR 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 parece una fluctuación débil periódica fuera de cierta distancia de la región de flexión del eje, su período es de 4 my su amplitud básicamente no cambia con la deformación por flexión del eje, lo que indica que su influencia en 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 por fluctuación y aumenta con el agravamiento de la deformación por flexión del fuste. La restricción de 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 de Bunton en 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 botones adyacentes se deforme a lo largo de la dirección x negativa, la mitad inferior se deforme a lo largo de la dirección x positiva , y la junta 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 la especificación de instalación de GR, y generalmente es recto, lo que indica aún más la racionalidad de los parámetros de conexión inicial del bunton, GR y eje.

Las posiciones de desconexión son − 11, − 47, − 83, − 107, − 119, − 131, − 143, − 155, − 179, − 215 y − 251 m en secuencia, y están 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 deformación por flexión del eje es de 1 mm en la desconexión. La Figura 13 muestra la ley GRD cuando el botón se desconecta del GR bajo acción de flexión. El GR en la posición desconectada se deforma en dirección opuesta y su amplitud está 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 ocurre 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 botón debajo de él está situado en el área de acción de la deformación por flexión del eje, por lo que el GR debajo de él está sujeto a la acción anterior, lo que resulta en su amplitud anormalmente prominente. La posición desconectada a −131 m está ubicada en el medio del área de deformación por flexión del eje, el GR arriba produce la deformación inversa y su amplitud es 5 veces mayor que la deformación de fluctuación, y la deformación debajo es básicamente la misma como el de la conexión normal. Debido a la deformación por flexión del eje, el extremo del botón adyacente en la posición desconectada se dobla hacia el interior del eje, lo que hace que el botón cerca de la posición de desconexión se doble hacia abajo, el GR inferior se dobla en sentido positivo x- 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 botón y el GR.

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

Cuando el botón 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 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 se ubica 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 conexión normal. La deformación en el lado superior de la posición desconectada se extiende en la dirección x negativa, 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 en el GR inferior en la dirección x positiva. El botón en esta posición de desconexión se encuentra fuera del área de deformación por flexión del eje. Cuando se trata de una conexión normal, produce una restricción en la dirección x negativa en el GR para disminuir su tasa de atenuación de la deformación por flexión, la restricción anterior se elimina bajo el estado de desconexión que 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 el rango de deformación por flexión del GR y el valor de deformación por debajo de él aumentan.

GRD en dirección x bajo flexión cuando el botón 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 conexión normal, y el período y la amplitud no cambian significativamente. Cuando el botón desconectado está ubicado en el área de deformación por flexión del eje, y el botón adyacente tiene una fuerte fuerza de deformación por flexión en el GR al mismo tiempo, por lo que incluso si un solo botón está desconectado del GR, su condición de fuerza es básicamente sin cambios, resultando básicamente en ningún cambio en su ley de deformación y amplitud. Cuando el botón 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 botón desconectado se encuentra en la unión de la deformación por 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 desde − 130 hasta − 90 m, la amplitud es de 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 el bunton adyacente dificulta que coincida 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 se produzca 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 la 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 en 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, que induce, el rango de deformación del GR es mucho mayor que el rango de acción de la deformación por dislocación del eje. Hay 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 de inclinación, y su tasa de atenuación es básicamente la misma que la deformación de dislocación del eje, acompañada de deformación de 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, lo que se debe principalmente a la deformación de seguimiento 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 la amplitud máxima aumentan, que obviamente son diferentes de la característica de deformación de GR bajo la 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 botón 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 opuesta. El valor de 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 de fluctuación, que se debe principalmente a la liberación de la interacción entre GR y 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 eje. región de deformación de la dislocación del eje. Además, el valor pico a pico en la unión de la deformación por flexión del eje es básicamente el mismo que fuera del área de dislocación del eje. Cuando el botón 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. . Otra posición desconectada básicamente no cambia 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 por 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 botón 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 convierte en 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 de cambio de la sección horizontal del eje son de 1, 2, 3, 4 y 5 mm por turno. El GRD de -134,9 a -107,4 m se ve afectado principalmente por el cambio de la sección horizontal, y el intervalo básicamente no cambia con el agravamiento del cambio de la sección horizontal. La deformación es generalmente trapezoidal, la sección central 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 la 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 se produce cerca de la unión 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 en la deformación de la guía en el 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 arqueamiento 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 relativa a la deformación del eje. La amplitud de la deformación de la fluctuación de − 107,4 a − 73,1 m aumenta con la agravación del cambio de la 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 es causado principalmente por el fuerte efecto de restricción de Bunton de la zona de transición en el GR y el fuerte efecto de estiramiento del GR inferior en la parte superior. La ley de deformación del GR es básicamente la misma bajo la diferente amplitud del cambio de sección horizontal del eje, pero hay diferencias obvias en la amplitud, que existe una buena relación correspondiente entre el cambio de sección horizontal del eje y la ley de deformación de el GR.

Cuando el botón está desconectado de 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 se produce en la zona de transición del cambio de sección horizontal a -107 my su valor es de 0,94 mm. El botón 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 botón 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 provoca una aparece una gran diferencia de fuerza entre botones adyacentes y aparece el valor máximo de pico a pico. En el área de cambio de sección horizontal del eje a -119 m, el valor 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 puede conducir fácilmente a la deformación anormal.

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

La figura 18b es el GRD correspondiente a la desconexión entre el botón 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 botón 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 botón se desconecta del GR o pozo, 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 el SRSM. En comparación con el modelo de elemento sólido, 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 capacidad de expansión más fuerte y la amplitud tiene la tasa de caída más rápida bajo el cambio de sección horizontal.

Cuando el botón 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 al tipo de MSD. Cuando el botón 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 la 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 solo estudia la ley de deformación del GR bajo el tipo MSD único. Con la profundización continua del pozo y las condiciones geológicas cada vez más complejas, la ley de deformación del GR bajo el tipo MSD compuesto debe estudiarse más a fondo.

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

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

Escuela de Ingeniería Mecatrónica, Universidad China de Minería y Tecnología, Xuzhou, 221116, China

Jianlong Zhao, Chi Ma, Xingming Xiao y Yuqiang Jiang

Escuela de Ingeniería Química y Tecnología, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, 221116, China

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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Reimpresiones y permisos

Zhao, J., Ma, C., Han, J. et al. Investigación de la ley de deformación sobre rieles de guía bajo la acción de la deformación minera en el eje vertical de la mina. Informe 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 abril 2023

Publicado: 05 abril 2023

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

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