Mathematical modeling of unsteady water filtration into anchored mine opening

Abstract

Purpose. To develop a mathematical model of the interrelated processes of coal-rock mass deformation and water filtration in the disturbed area to study the change in the value of water inflow into the mine working de-pending on the method of its supporting. Methods. In this research, we used methods of rigid body mechanics, fluid and gas mechanics as well as numerical simulation based on the finite element method. Findings. A mathematical model of water filtration in the deformed rock mass was developed. It is shown that the use of bolting prevents fracturing process in the zone subjected to the influence of the mine working. In this case, solidity of the virgin mass in the roof is maximally preserved. Significant reduction of the filtra-tion area and decrease in its permeability leads to the drop in intensity of the liquid filtration movement and prevents or reduces water inflow into the mine workings with anchor support. Originality. Bolting is considered as a technological method of reducing water inflow into mine workings for the first time. Based on the results obtained, the “Method for Reducing Water Inflow into the Mine Workings with the Roof Bolting” was developed. Effectiveness of this method was proved in the coal mines of the Western Donbas. Practical implications. The calculations show that bolting can simultaneously perform two functions: ensuring stability of the mine working and its waterproofing, which significantly reduces the operating costs.

Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления. Методика. Для выполнения исследований применялись методы механики твердого тела, механики жидкости и газа, численное моделирование с применением метода конечных элементов. Результаты. Разработана математическая модель фильтрации воды в деформируемом массиве горных пород. Показано, что применение анкерной крепи позволяет предотвратить развитие процесса трещинообразования в зоне влияния выработки. В этом случае в кровле максимально сохраняется монолитность нетронутого массива. Значительное сокращение размеров области фильтрации и снижение проницаемости внутри нее приводит к снижению интенсивности фильтрационного движения жидкости и предупреждению или снижению водопритока в горные выработки с анкерной крепью. Научная новизна. Впервые анкерная крепь рассмотрена как технологический способ снижения водопритока в горную выработку. На основании полученных результатов разработан “Способ снижения водопритока в горную выработку с применением анкерного крепления”. Действенность данного способа была доказана на угольных шахтах Западного Донбасса. Практическая значимость. Приведенными расчетами показано, что анкерная крепь может одновременно выполнять две функции: обеспечения устойчивости выработки и ее гидроизоляции, что существенно снижает расходы на поддержание выработки.

Мета. Розробка математичної моделі зв’язаних процесів деформування вуглепородного масиву та фільтрації води в порушеній області для дослідження зміни величини водоприпливу в гірничу виробку в залежності від способу її кріплення. Методика. Для виконання досліджень застосовувалися методи механіки твердого тіла, механіки рідини і газу, чисельне моделювання із застосуванням методу скінченних елементів. Результати. Розроблено математичну модель фільтрації води в масиві гірських порід, який деформується. Показано, що застосування анкерного кріплення дозволяє запобігти розвитку процесу утворення тріщин у зоні впливу виробки. У цьому випадку в покрівлі максимально зберігається монолітність непорушеного масиву. Значне скорочення розмірів області фільтрації й зниження проникності всередині неї призводить до зниження інтенсивності фільтраційного руху рідини і попередження або зниження водоприпливу в гірничі виробки з анкерним кріпленням. Наукова новизна. Вперше анкерне кріплення розглянуте як технологічний спосіб зниження водоприпливу в гірничу виробку. На підставі отриманих результатів розроблено “Спосіб зниження водоприпливу в гірничу виробку із застосуванням анкерного кріплення”. Дієвість даного способу було доведено на вугільних шахтах Західного Донбасу. Практична значимість. Наведеними розрахунками показано, що анкерне кріплення може одночасно виконувати дві функції: забезпечення стійкості виробки та її гідроізоляції, що істотно знижує витрати на підтримання виробки.