Введение к работе
Актуальность проблемы. Горнодобывающие отрасли промышленности пимают в народном хозяйстве страны одно из важнейших мест по іей роли в общественном производстве, экономической значимости юциальным факторам. Их дальнейшее развитие связано со все ірастающими запросами практики освоения и эксплуатации ыесто-дений полезных ископаемых на больших глубинах со сложными гор-геологическими условиями, сопровождаемой активизацией горного ления и снижением эффективности ведения подземных работ, и дъявляет требования по разработке новых методов расчета напрано- деформированного состояния (НДС) породного массива в ок-тности полостей как основы практических рекомендаций в опреде-ии параметров технологии, отвечающей геомеханическим условиям ения очистных работ. Сюда же следует отнести и проблемы строи-ьства подземных сооружений с целью создания промышленных объ-ов или мест захоронения отходов производства.
Применение любой технологии добычи полезных ископаемых пред-агаег нарушение естественных горно-геологических условий мес-ождения. Происходящее при этом перераспределение горного дав-ия является причиной потери устойчивости вмещающего выработку сива пород. Для предсказания поведения массива пород с выра-ками и выбора соответствующей технологии ведения горных работ бходим анализ его НДС, определение которого является одной из овных задач геомеханики.
Вопросы управления горным давлением следует рассматривать на ом научном, техническом и технологическом уровнях. Создание одов расчета НДС около полостей в массиве пород управляющего начения для систематизированных классов задач геомеханического зпечения технологий разработки предполагает оперативное прог-ирование и управление геомеханическими процессами в забоях, авление согласованным развитием очистных забоев в группе плас-
с применением эффекта разгрузки от горного давления и дости-ле высокой концентрации горных работ, расширение применения іодогий ведения очиї. jx. работ.
Все это предопределяет далії'еішее р^сиг.тт^ лроСдемы оосдания и аналитических методов рег<еш<я задач м^- тлки гот ныч пород
тел с произвольной формой границу, учитывающих, ирл необходи-ги. перепад давления по выест? у_:работіа. и отвечаем условию
- 4 -единообразия при формулировке, составлении разрешающих уравнении и их численной реализации.
Актуальность разработки новых методов, обусловленную необходимость» решения прикладных задач с учетом реальной геометрии контура выработки и без жестких кинемати еских ограничений на характер деформирования массива пород, имезт вполне реальную базу для реализации, основу которой состава.тс? с одной стороны опыт организации классических методов, а с друг ой - достаточно высокий уровень развития аппарата теории интеграл>к$їх уравнений и современные достижения в области численных методов математики.. Такие методы, в сочетании с апробированными ревультатами исследований, позволяют значительно увеличить число поддающихся решению прикладных задач механики горных пород, оценить степень точности имеющихся приближенных решений, создать методологию построения новых моделей кусочно-однородных массивов пород содержащих выработк» при различных условиях взаимодействия по границам раздела.
Диссертационная работа, посвященная созданию новых методої решения задач геомеханики, выполнена в соответствии с плановым! научными исследованиями ИГД СО РАН и НАрхИ:
-"Разработка теоретических основ прогнозирования горного давления в угольных шахтах" ( № гос. регистрации 81081328 , 1981- 198J гг.);
-"Программа Сибирского отделения РАН "Сибирь'ЧШб -1994 гг.).
-"Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород і сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях" (Ъ гос. регистрации -01860072595, 1991-1995 гг.);
-"Создание новых методов расчета деформирования пород околс подземных сооружений как основы прогноза их устойчивости" ш программе Госкомитета Российской Федерации по высшзму образовали» "Архитектура и строительство" (1993 -1995 гг.).
Цель диссертационной работы в развитии теоретических ochoj исследования процессов деформирования и создании новых методо) математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива пород с выработками на- базе классической теории упругости, разработке численных процедур их реализации, призвании: обеспечить надежность прогноза проявлений горного давления.
Идея работы заключается в применении соотношений связи гра ничных значений НДС к решению прикладных задач горного деда и необходимости учета в аналитических исследованиях данных натурны
- 5 -«зпериментов; в возможнее п. рзПиения исходной области массива эрод на подобласти, обесп :ч*.ъ тацего стандартность подходов при хтановке, составлении раъ;-*;ш,т уравнений и численной реали-ации основных задач просі;:, іствешой механики горных пород. Задачи исследований:
получить зависимости, опре?- яющие связь граничных значений ЗС для изолированных и взашо&г. чих выработок;
учет линейности исходного п:*л. напряжений в задачах механи-л горных пород;
разработка теоретически у\ -. аналитико-экспериментального етода восстановления НДС около г>ьр. оток;
в построении модели деформяр. іния массива пород в окрест-эсти выработки;
разработка метода решения трехмерных задач геомеханики при эдедировании различных элементов техж логии ведения очистных ра-аг.
Методы исследований предполагали ... одексный подход к решению ставленных задач и включали: анализ ъюпериментальных и теоре-ических результатов исследований физических процессов в породном ассиве, применение аппарата математический теории упругости, терни интегральных уравнений и теорій акь, итических функций, вы-ислительной математики и ЭВМ при реаяиз? дай численных методов ешения.
Научные положения, представленные к аашчте:
связь между напряжениями и смещениям1.' точек границы произ-ольных двумерных областей в форме зачюг/. . системы интегральных равнений:
модель деформирования массива пород . выработкой с учетом инеяности исходного поля напряжений;
новая модель деформирования областей с трещиной и угловыми очками контура выработки, позволяющая лолучаї.» определенное всю-у решение;
интегральные уравнения переопределении іа участке контура раничных задач как основа нового направдеігл'ї . аналитико-экспе-иментальных методах геомеханики;
метод решения пространственных зада\ jc-x. ики горных пород ля кусочно-однородных массивов с выработкам.
Достоверность научных положений диссертации г„ дтверждается:
- непротиворечивостью теоретических выкладок . эй выводе новых
уравнений;
строгостью применения существующих разработок математич кой теории упругости, теории аналитических функций и интеграль уравнений, современных численных методов;
корректной постановкой модельных задач, проведением тес вых расчетов и соответствием полученных результатов аналитичес и приближенным численным решениям других авторов;
качественным соответствием результатов расчетов основ закономерностям физических процессов (деформирования) в масс пород с выработками, проявляющимися в трещинообразовании, выва пород, оседаниях дневной поверхности, отжиме угольного пласт др.;
теоретическим анализом результатов исследований проявлеї горного давления и сопоставлением их с данными других автор* подтверждающими точность и эффективность предложенных методов;
включением результатов исследований в практические рекомі дации плановых работ ИГД СО РАН.
Научная новиана работы заключается:
в- выводе системы интегральных уравнений, позволяющих ощ делить напряженно-деформированное состояние точек контура вырас ток без предварительного поиска комплексных потенциалов в облас (массиве);
в разработке метода решения двумерных задач в линейном пс напряжений нетронутого массива, отличающегося от известных учеі такой- физической особенности породного массива, как перепад да ления по высоте выработки;
г в соэдатм метода решения плоских задач для произвольн областей, отличительной чертой которого является единообраз подхода к формулировке м поиску граничных значений НДС как д внутренних, так и вневних задач без дополнительной процедуры п иска контрольных решений с последующим переходом в массив;
в получении разрешающих уравнений и разработке на их ба метода реиения двумерных задач, отличительной чертой которого я: ляется переопределенность граничных условий на части контура ві работки;
в создании модели деформирования массива пород в окрестна ти угловых точек й трещин, позволяющей, в рамках линейной теорі упругости, получать физически реальное, всюду определенное реш« ние;
- в разработке метода решения пространственных задач геомеханики, базирующегося на полученном в работе решении второй основной задачи теории упругости для полупространства в квадратурах и допускающего единообразные постановку и решение всех трех основных задач для кусочно-однородного массива, содержащего выработки;
_ в создании численных процедур и получении решений ряда модельных задач трехмерной механики горных пород (заглубленная выработка, отработка уступай целика, вваимовлияющие выработки, НДС кровли незаглубленной выработки и др.).
Практическая подеаность диссертации состоит в разработке пригодных для решения практических задач методов математического моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния породного массива в окрестности выработок, применение которых позволяет, существенно расширить как сэм круг, так и возможности решения плоских и пространственных задач механики горных пород за счет обусловленных методами различных вариантов их формулировки и наработанных алгоритмов и пакетов программ их численной реализации для современных ЭВМ.
Полученные данные расчетов модельных задач указывают на возможность их приложения в качестве исходной информации в геомеханических службах контроля состояния массива пород и обосновании новых технологий ведения очистных работ, для прогнозирования устойчивости подземных выработок и бортов карьеров, оптимального планирования последовательности отработки полезного ископаемого с учетом реального характера горного давления.
Личный вклад автора состоит в построении физических моделей задач геомеханики, выводе разрешающих систем уравнений, разработке алгоритмов и создании пакетов программ их численной реализации, теоретическом обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Постановка рассматриваемых в работе проблем, вывод общей системы граничных интегральных уравнений плоской задачи механики горных пород и получение решения в квадратурах второй основной задачи теории упругости для полупространства осуществлены совместно с академиком РАН, д.т.н. М.В.Курленей и д.т.н. В.Е.Мирен-ковым.
Реализация работы. Основные результаты исследований в виде разработанных принципов и методов решения залач механики горного дела, алгоритмов и пакетов программ их численной реализации внед-
- 8 -рены в Институте горного дела СО РАН при создании геомеханическиэ основ управления горным давлением, наши применение при проведении геомеханического анализа состояния выработок на шахтах "Красный углекоп" АООТ "Прокопьевскуголь", "Тайбинская" АООТ "Кисе-левскуголь", рудниках "Берикульский" и "Веселый" АООТ "Залсибэо-лото".
Полученные теоретические результаты и конкретные расчеты нашли применение в учебном процессе Новосибирской государственное академии строительства им. В.В.Куйбышева при подготовке студентоЕ специальностей "Промышленное и гражданское строительство", "Гидротехнические сооружения", вошли в методические указания "Плоская задача теории упругости в полярных координатах.- Новосибирск : НИСИ.- 1989".
Апробация работы. Отдельные положения и разделы, по мере выполнения, доложены: на 4 Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1984); на семинаре "Управление развитием горных работ при подземной разработке рудных месторождений" (Новосибирск, 1987); на 1 Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (Фрунзе, 1987); на научно-технических конференциях профессорского-преподавательского состава Новосибирского инженерно-строительного института (Новосибирск, 1982 - 1993); на Всесоюзном семинаре "Технология разработки мощных угольных пластов" (Новосибирск, 1988); на 6 Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1988); на 6 Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1991); на 10 Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993); на 8 Международной конференции по механике разрушения материалов (Киев, 1993); на межкафедральном семинаре " Проблемы теоретической и прикладной механики" НГАС (Новосибирск, 1994); на расширенном семинаре отдела механики деформируемого твердого тела иТ СО РАН (Новосибирск, 1994); на семинаре ИТПМ СО РАН (Новосибирск, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 25 печатных трудов, включая монографию.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 197 наименований и содержит 357 страниц, включая 125 рисунков и приложение.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность ака-
- 9 -іемику РАН М.В.Курлене к д. т.н. В.Е.Миренкову за внимание и систематическую помощь в процессе выполнения работы, к.ф.-м.н. Хан 'ил Нему и другим коллегам за содействие в процессе проведения меленной реализации ряда задач.
