Математичне моделювання геомеханічних процесів у техногенно порушеному середовищі зі стохастично розподіленими фізико-механічними властивостями

Abstract

Диссертация посвящена решению важной научной проблемы совершенствования прогноза поведения структурно и техногенно нарушенного массива на основе математического моделирования, развития вероятностно-статистических подходов и установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния пород на разных стадиях горнодобывающих работ с учетом стохастической природы физико-механических свойств среды. На основе лабораторных исследований микроструктуры образцов горных пород, разрушения образцов на гидравлическом прессе, натурного обследования трещиноватых пород в выработках установлена функция снижения прочностных и деформационных свойств пород в зависимости от интенсивности трещин и состояния контактов трещин. В лабораторных условиях установлено влияние влажности на степень снижения прочности. На этой основе усовершенствованы вероятностно-статистические методы учета указанных характеристик структурно-нарушенного массива при численном моделировании состояния пород. На основе конечно-элементного 3D анализа получены закономерности влияния параметров трещиноватости на перемещения контура протяженной подземной выработки при различных значениях глубины разработки. В рамках теории прочности Хока-Брауна установлена функциональная зависимость показательного вида высоты зоны неупругих деформаций (ЗНД) вокруг выработки от глубины разработки, интенсивности трещин, введенного автором индекса состояния поверхности трещин и расстояния до проходческого забоя, накотором происходит стабилизация перемещений. Выполнено многофакторное 3D моделирования состояния массива пород вокруг сопряжения подготовительной и очистной выработок при охране системы «лаваштрек» литой полосой из твердеющего материала «Би-крепь». Разработана методика структурной идентификации прогностической модели устойчивости выработки при ее сопряжении с лавой на основе метода группового учета аргументов (МГУА), которая позволила определить наиболее доминирующие факторы, среди которых влияние переменной «ширина литой полосы, отнесенная к мощности вынимаемого пласта», является наиболее значимым для сохранения допустимых размеров выработки. Выполнено геомеханическое обоснование повторного использования выемочных штреков в условиях трещиноватого массива на основе усовершенствованной вероятностно-статистической модели прочности породного массива. Выявлена роль элементов двухуровневого анкерного крепления и жесткости элемента охраны при сохранении сечения повторно используемой выработки. Методом обобщенного приведенного градиента решена задача нелинейной оптимизации и установлено оптимальное сочетание факторов, при котором обеспечивается сохранение максимальной площади сечения участковой выработки после сопряжения со второй лавой. Оптимальными величинами для значений параметра разработки (отношения вертикальной составляющей начального поля напряжений к прочности породного массива) из интервала варьирования от 0,3 до 0,7 являются: количество анкеров, отнесенное к площади поперечного сечения выработки N a = 0,48; ширина охранного элемента, отнесенная к мощности пласта w/m=0,8; интервал установки металлического арочного крепления q = 0,5; коэффициент жесткости контактов между элементами охранной конструкции из деревянных брусьев с заполнением пустот цементно-песчаной смесью, k n = 10000 МПа/м. Такая комбинация факторов позволит сохранить до 68% площади сечения участковой выработки после сопряжения со второй лавой.

Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової проблеми удосконалення прогнозу геомеханічних процесів в структурно та техногенно порушеному масиві на основі розвитку ймовірнісно-статистичних підходів та встановлення закономірностей зміни стану масиву на різних стадіях видобувних робіт з урахуванням стохастичної природи фізико-механічних властивостей середовища. Вдосконалено алгоритми врахування таких ознак порушеності породного масиву, як інтенсивність тріщинуватості, кут нахилу тріщин, стан контактів поверхні тріщин та обводненість порід. На основі тривимірного моделювання встановлено залежності переміщення контуру протяжної підземної виробки та висоти зони непружних деформацій в її околі від глибини розробки, міцності порід, інтенсивності тріщинуватості, індексу стану поверхні тріщин та відстані до вибою, на якій відбувається стабілізація переміщень. Розроблено методику багатофакторної структурної ідентифікації на основі методу групового урахування аргументів (МГУА), яка дозволила визначати найбільш домінуючі фактори та побудувати прогностичну модель стійкості дільничної виробки при сполученні її з лавою. Виконане геомеханічне обґрунтування повторного використання виїмкових виробок в умовах тріщинуватого масиву. Методом узагальненого приведеного градієнту розв'язано задачу нелінійної оптимізації та встановлено оптимальну комбінацію факторів, що забезпечується збереження максимальної площі перерізу виробки.

The dissertation is devoted to solving an important scientific problem of improving the forecast of geomechanical processes in structurally and technogenic disturbed rock mass based on the development of probabilistic and statistical approaches and establishing patterns of changes in the state of the rocks at different stages of mining, taking into account the stochastic nature of physical and mechanical properties. Algorithms for taking into account such patterns of rock mass disturbance as joint spacing, crack inclination angle, joint conditions, and rock water saturation has been improved. Based on three-dimensional modeling the dependences of the displacement of the contour of long underground excavation and the height of the zone of inelastic deformations in its vicinity on the depth of mining, rock strength, joint spacing, joint condition index, and distance to the face at which the movements are stabilized. A method of multifactor structural identification based on the group method of data handling (GMDH) was improved, which allowed to determine the most dominant factors and build a prognostic model of the stability of the preparatory excavation conjugated with longwall. The geomechanical substantiation of excavations reuse under conditions of the jointed mass is executed. The problem of nonlinear optimization is solved by the method of generalized reduced gradient and the optimal combination of factors is established, which ensures the preservation of the maximum cross-sectional area of preparatory excavation.