Моделювання і прогноз геомеханічних процесів у виробках глибоких шахт

Abstract

Робота присвячена удосконаленню методів чисельного моделювання геомеханічних процесів, що розвиваються в структурно неоднорідному породному масиві навколо виробок глибоких шахт, і обґрунтуванню параметрів способів забезпечення їх стійкості. Вперше запропонована методика визначення коефіцієнта структурного послаблення породного середовища з урахуванням випадкової мінливості відстані між тріщинами, що заснована на використанні розподілу Релея як ймовірнісної моделі. Удосконалені підхід до вирішення нелінійних геомеханічних задач, який враховує не тільки ефект разміцнення породного середовища, але і його розпушення, та процедура імітаційного моделювання здимання порід підошви виробки. Отримав подальший розвиток алгоритм побудови імітаційних повних діаграм позамежного деформування гірських порід. Розроблений алгоритм вирішення чисельних задач, який об'єднує в собі пружно-пластичне рішення із разміцненням і розпушенням, імітаційне моделювання здимання, отримання кривих позамежного деформування та обґрунтовані параметри способів підтримання стійкості протяжних виробок низки глибоких вугільних шахт та рудників.

Работа посвящена усовершенствованию методов численного моделирования геомеханических процессов, развивающихся в структурно-неоднородном породном массиве в окрестности горных выработок глубоких шахт, и обоснованию параметров способов обеспечения их устойчивости. На основе статистической теории прочности впервые предложена методика определения коэффициента структурного ослабления породной среды с учетом изменчивости расстояния между трещинами, основанная на использовании распределения Релея как вероятностной модели случайного расстояния между трещинами. При выполнении моделирования на эквивалентных материалах процесса пучения пород почвы протяженной выработки установлено, что угол  наклона слоев пород в модели заметно влияет на величину и характер смещений пород в почве выработки при одной и той же величине  (отношение боковой нагрузки к вертикальной); максимальные смещения и наибольшая интенсивность развития смещений почвы имеет место при угле наклона слоев 45 0 неза- висимо от величины ; при =0,75 и 1,0 максимальные смещения при любых углах наклона слоев  оказываются по величине довольно близкими (разница не превосходит 7%), а при =1,0 и 1,25 – менее, чем на 5%. Установлено, что величина смещений в почве нелинейно зависит от коэффициента бокового распора  и угла наклона слоев пород и для пластов с углом падения до 15 градусов при значениях =0,75÷1,25 отличается в пределах 7%, что позволяет упрощать без потери точности расчетные схемы геомеханических задач для выработок, находящихся в таких условиях, принимая =1, и получать адекватные решения при разработке способов обеспечения устойчи- вости выработок. Натурные наблюдения за развитием процесса пучения в протяженных горных выработках, выполнявшиеся с целью подтверждения полученных на физических моделях выводов, проводились в капиатальных и подготовительных выработках на шахтах «Белозерская» ГП «Добропольеуголь» и им. В.М. Бажанова ГП «Макеевуголь». Детальный анализ полученных зависимостей показал, пучение во времени зависит от горно-геологических условий, развивается по одному и тому же закону вида   bT e a u    1 , где u – смещения контура, T – время измерений, b a, – коэффициенты аппроксимации, и может иметь либо затухающий, либо незатухающий характер. При решении задач геомеханики с разупрочнением и разрыхлением введена гипотеза соответствия, заключающаяся в том, механические явления, происходящие при «жестком» разрушении породного образца в режиме заданных деформаций соответствуют процессам, протекающим при деформировании произвольного единичного объема породного массива в окрестности горной выработки. При этом роль «жесткого» нагружающего устройства играет упруго деформирующаяся область породной среды, расположенная за областью неупругих деформаций. Предложен подход к решению нелинейных геомеханических задач структурного анализа, учитывающий, в отличие от ранее разработанного подобного подхода, не только эффект разупрочнения породной среды, но и её разрыхления, что позволяет получать решения таких задач, достаточно адекватные не только в части результатов по напряжениям, но и в части смещений. Усовершенствована процедура имитационного моделирования явления пучения пород почвы протяженной выработки, позволяющая учесть этапы истории развития смещений и рассматривающая напряженно-деформированное состояние, формирующееся при развитии пучения, как дополнительное по отношению к НДС, полученному на этапе упругопластического решения геомеханической задачи. В основу процедуры имитационного моделирования положено представление о пучении как о потере упругопластической устойчивости геомеханической системы «выработка-породный массив». Разработана процедура получения на численных моделях полных диаграмм запредельного деформирования образцов горных пород. Данная методика является усовершенствованием известного алгоритма имитационного моделирования испытания образцов и позволяет получать полные диаграммы с достаточной для численного моделирования точностью. Разработан алгоритм, объединяющий в себе подходы упругопластического решения с учетом разупрочнения и разрыхления, имитационного моделирования пучения, получения кривых запредельного деформирования на численных моделях, адекватность которого доказана решением тестовой задачи и сравнением ее результатов с точным аналитическим решением – отклонение в части напряжений составило 0,4%; отклонение в части смещений составило 7,86%. Данный алгоритм положен в основу разработанной комплексной методики оценки НДС геомеханической системы «породный массив-выработка». Реализация разработанных в диссертации решений осуществлена на шахте «Шахтерская-Глубокая» ГП «Шахтерскантрацит» с ожидаемым экономическим эффектом 23,3 тыс. грн. на 1000 п.м.; на шахте «Комсомольская» ГП «Антрацит» с ожидаемым экономическим эффектом свыше 120 тыс. грн. на 1000 п.м.; на шахте «Родина» ОАО «Криворожский ЖРК» с ожидаемым экономическим эффектом 260 тыс. грн. на 1000 п.м., а также при выполнении научно-исследовательских работ на ряде шахт Донбасса, в учебном процессе ГосВУЗа «Национальный горный университет» при подготовке специалистов и магистров по специальности «Строительство шахт и подземных сооружений» и в научной деятельности, включая подготовку аспирантов.

The thesis is devoted to the improvement of numerical modeling of geomechanical processes that develop in structurally inhomogeneous rock mass around excavations in deep mines, and substantiation parameters of ways to ensure their sustainability. The technique of determining the coefficient of structural weakening of the rock environment considering the variability of the distance between the cavities, that based on the use of the Rayleigh distribution as a probabilistic model of random distance between cavities is proposed for the first time. An approach to solving nonlinear geomechanical problems, that takes into account not only the effect of loss of strength rock environment, but its loosening and procedure of simulation modeling heaving rock ground excavation were improved. The simulation algorithm to obtain complete diagrams of limiting deformation of rock samples was further developed. The algorithm of solving numerical problems, which combines elastic plastic solution of loss of strength and loosening, simulation heaving, getting beyond the deformation curves and reasonable options means maintaining stability workings extended series of deep coal mines and mines was developed.