О напряженном состоянии грунта на забое выработки

Выбор оптимальной формы инструмента для резки грунта является актуальной задачей для горнопроходческих отраслей строительства, поиска и добычи полезных ископаемых, а также в сфере почвообработки для сельского хозяйства. Форма забоя выработки при имеющейся нагрузке определяет момент наступления предельного состояния грунта и глубину его развития в призабойной области. Изменяя контур зоны обработки грунта, можно повысить эффективность проходки, снизить усилие подачи и износ инструмента.
Целью работы является создание алгоритма расчета забоя выработки сложной формы и определения напряженно-деформированного состояния массива грунта вблизи него при минимальном количестве граничных условий, отсутствии дискретизации всей области на элементы и аппроксимации между узлами. Требуется проиллюстрировать возможности предложенной методики тестовыми задачами для контура забоя и призабойной области.
Численная модель краевой задачи основана на интегральной формулировке задачи теории упругости Кельвина и использует метод потенциала в форме фиктивных нагрузок и разрывных смещений, что позволяет снизить размерность задачи, учесть симметрию, получить более компактную систему уравнений и иметь точные решения в любой точке области.
Проведена оценка напряженного состояния на контурах выработок различной формы и в призабойной зоне грунтового массива, дана последовательность оценки потери грунтом прочности по Мору – Кулону.
Предложенная методика решения краевой задачи рекомендована как экспресс-метод оценки напряженного состояния вблизи выработки произвольной формы в бесконечных областях с возможностью учета симметрии и реализации в среде Excel.

1. Зеленин А.Н. Физические основы теории резания грунтов. Москва; Ленинград: Изд-во АН СССР, 1950. 354 с.

2. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твёрдого тела. Москва: Мир, 1987. 328 с.

3. Кавказский В.Н., Козловский В.Е. и др. Программа расчёта выработки методом граничных элементов. № свид. о гос. рег. RU2020663522 ; дата рег. 21.10.2020.

4. Безуйен А., Талмон А.М. Давление грунта на режущее колесо EPB-щита / под ред. Ким, Бан. Сеул, Корея, 2014. С. 523–529.