Введение к работе
Актуальность проблемы. Вскрытие и разработка залежей полезных ископаемых в слоистой горной породной толще осуществляется путем проходки и сооружения сети горизонтальных выработок на различных глубинах (этажах). При этом выработка рассекает толщу по простиранию слоев (штрек), либо вкрест (квершлаг) и диагонально этому простиранию (диагональная выработка). С переходом горнодобычных работ па большие глубины при достаточно высоком уровне статических п динамических (сейсмических) нагрузок горные породы вокруг таких выработок могут переходить в предельное состояние, а величины статических и сейсмических напряжений, превосходить пределы прочности горных пород, приводя к образованию зон неупрушх деформаций, охватывающих полностью или частично контур выработки. Знание закономерностей образования подобных зон в зависимости от физико-механических свойств слоистой породной толщи, пространственной ориентации выработки и других факторов необходимо для постановки и уточнения прочностного расчета. Проектирование и строительство подземных сооружений требует также обоснованного подхода к оценке воздействия статических и сейсмических' нагрузок на различные типы конструктивных элементов сооружений, определения их напряженного и деформированного состояний на основе совершенствования упругопластических моделей толщи пород и самих методов расчета. Наглядным примером в этом отношении служат задачи механики горных пород, связанные с расчетом унругопластического сейсмонапряженного состояния и прочности подземных сооружений. Причем следует подчеркнуть, что оценка направления распространения сейсмических волн относительно этого сооружения в упругопластическом массиве остается неоднозначной.
Подробный обзор литературы, посвященной исследованию упругопластіїческои сейсмостойкости подземных сооружений показывает, что перечисленные особенности современного подхода к анализу сейсмостойкости подземных сооружений, заложенных с учетом упругопластического состояния слоистого массива горных пород, еще не Егашла теоретического обоснования. Актуальность проблемы излагаемой в диссертации продиктована стремлением восполнить этот пробел.
Цель работы: Разработка методігческой основы исследования упругопласпгческой сейсмостойкости горизонтальных единичных подземных сооружений (штрек, квершлаг) в анизотропном слоистом (транстропном) массиве, обоснование квазистатического подхода при разработке соответствующей расчетной представительной модели о влиянии длинных сейсмических волн на упругопластическое
распределение напряжений и перемещений и на конфигурацию неупругой зоны вокруг выработок с учетом дилатансии в этой, зоне, массива; разработка методики расчета сейсмической сотрясаемости сейсмоактивных регионов территорий Казахстана (Северный Тянь-Шань) и распределения балльности по площади; моделирование и построения ансамблей синтезированных акселерограмм колебаний грунта при ожидаемых сильных землетрясениях; изучение упругопластической сейсмостойкости горизонтальных горных выработок в слоистом массиве в зависимости от интенсивности землетрясений.
Задачи исследования. Разработка метода статического расчета упругой и пластической зон вокруг горной выработки (штрек, квершлаг) в слоистом (транстрошюм) породном массиве горных пород; определение влияния параметров упругой анизотропии и наклона плоскости изотропии массива на форму и размеры неоднородной пластической зоны вокруг штрека и квершлага.
Разработка квазистатического подхода и алгоритмов решения задачи об упругопластической сейсмостойкости штреков и квершлагов в транстропном массиве при совокупном воздействии длинных сейсмических волн сжатия-растяжения, сдвигов разной ориентации и статических сил; подробный анализ закономерностей распределения упругопластических напряжений и перемещений в зонах в различных условиях текучести совместного воздействия длинных волн сжатия -растяжения, сдвигов и собственного веса пород.
Разработка алгоритмов определения поля упругопластических перемещений вокруг штреков и квершлагов слоистом массиве в зависимости от условий текучести и дилатансионных эффектов (пластического разрыхления) и характера совместных действий, статических и сейсмических сил; количественный анализ полученных результатов и сопоставление их с данными натурных наблюдений; моделирование с учетом сейсмической сотрясаемости фунтовой площадки н построение графика периода сотрясаемости; построение и табулирование ансамблей синтезированных акселерограмм ожидаемых сильных землетрясений.
Определение области возможной упругопластической
деформаций в массиве сложного строения вблизи штреков и
квершлагов конечно-элементной дискретизацией реального объекта с
использованием табулированной акселерограмма сильных
землетрясений различной балльности.
Полная алгоритмизация, предлагаемых методик расчета упругопластической сейсмостойкости горизонтальных горных выработок в слоистом (транстропном) массиве составление соответствующих пакетов прикладных программ.
Комплексный анализ закономерностей распределения упругопластнческих статических и сейсмических напряжений, перемещений и области неупругай деформаций в транстропном массиве с горными выработками в условиях сильного землетрясения различной балльности и выработка рекомендации на сейсмостойкость выработок.
Достоверность: научных положений диссертации и полученных в
ней результатов подтверждается теоретическими и
экспериментальными исследованиями, базирующихся на методах
теории упругости анизотропного тела, теории пластичности и механики
горных пород. Результаты решения соответствующих
упругошгастических задач согласуются с натурными данными.
Научная новизна: Обосновано распространение полуобратного метода решения упругопластической задачи на исследование слоистого (транстропного) массива с горизонтальной горной выработкой, пребывающей в условиях плоской и обобщенной плоской деформации; процесс решения комплекса упругопластнческих задач полностью алгоритмизирован, составлены пакеты прикладных программ, реализованных на ЭВМ и ПЭВМ.
Предложен квазистатический подход к решению
упругопластнческих задач сейсмостойкости горных выработок (штрек, квершлаг) в транстрошюм массиве при длинноволновом приближений; решены соответствующие классы задач сейсмостойкости штреков и квершлагов (при плоской и обобщений плоской деформации) путем разработки алгоритмов и программ расчета для ЭВМ и ПЭВМ.
Предложена методика моделирования сотрясаемостн сейсмических регионов и способ составления синтезированной акселерограммы ожидаемых сильных землетрясения различной интенсивности, необходимой для проектирования и застройки в этих регионах крупных сейсмостойких объектов и сооружений; составлены программы табулирования расчетных акселерограмм и реализованы на ПЭВМ сильных 7, 8, 9 и 10 балльных землетрясений.
Определены области возможного перехода в пластическое состояние породной толщи слоистого строения вокруг горных выработок в зависимости от интенсивности сильных землетрясений путем конечно-элементной дискретизации объекта, разработкой алгоритмов, составлением и реализацией программных комплексов.
Основные научные положения, защищаемые автором:
совершенствование моделей упругопластического состояния транстропного массива вокруг горной выработки глубокого заложения, пребывающей в условиях плоской и обобщенной плоской деформаций при совокупной воздействий статических и сейсмических сил;
методические основы решения статических и сейсмических упругопластических задач для горизонтальной горной выработки в транстропном массиве;
комплексное исследование возможных форм зоны неупругой деформации и распределения упругопластических напряжений и перемещений вокруг горных выработок в транстропного массиве от совокупного воздействия статических и сейсмических сил в условиях плоской и обобщенной плоской деформаций;
системный анализ упругопластического напряженно-деформированного состояния горизонтальных горных выработок в транстропном массиве при совокупном воздействии статических и сейсмических сил;
методика определения сейсмической сотрясаемости сейсмоактивных регионов, составления и табулирования синтезированных ансамблей акселерограмм ожидаемых сильных землетрясений разной балльности для этих регионов Северного Тянь-Шаня;
конечно-элементная дискретизация реального объекта, алгоритмы и программ по расчету упругопластической сейсмостойкости горизонтальных горных выработок в слоистом массиве при сильных землетрясениях.
Практическая ценность работы. Диссертация является составной частью завершенных плановых работ Ипститута сейсмологии (1976-1995) и Института механики и машиноведения Академии наук Республики Казахстан в рамках темы «Теоретические основы расчета подземных сооружений в неоднородной толще» (№ гос. регистр. 78033496, 1976-1980); общесоюзной комплексной программы 00.74.03 «Сейсмология и сейсмостойкость сооружений - по заданиям: 05.04.Н2 «Разработать методы расчета сейсмического воздействия на протяженные подземные сооружения в анизотропном породном массиве (№ гос. регистр. 516(272-174, 1981-1985 г.г.); 07.02Н2 «Разработать методики расчета конструкции подземных сооружений в сложных геологических и сейсмотектонических условиях с учетом анизотропии грунта, пластического деформирования конструкций и реального характера колебании массива (№ гос. регистр. 01870031665, 1986-1989 гг.). В рамках научного направления «Механика Земли и подземных сооружеіши, теория плоских и пространственных механизмов и манипуляционных устройств высоких классов» (№ гос. регистр. 0195 РК 00606, инв. №0297 РК 00317, 1996). Основные результаты диссертации вошли в заключительные отчеты по названным темам.
По результатам работы автором созданы пакеты прикладных программ, в частности зарегистрированный в ГосФАПСССР М., информационный бюллетень №5, 1990 г. (Программа и алгоритмы). Пакет программы передан в Институт вычислительной математики и
геофизики АН Молдавской ССР (1989 г.). Алгоритм решения
упругопластической задачи и программа счета на ЭВМ переданы в
Институт горного дела Севера СО АН СССР п Информационно-
вычислительный центр производственного объединения
«Кемеровоуголь».
Апробация работы. Основные результаты диссертации
докладывались на V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной
механике (Алмати, 1981), Всесоюзных конференциях по механике
горных пород (Фрунзе, 1978; Днепропетровск, 1980). Всесоюзных
семинарах по исследованию горных и подготовительных выработок
(Новосибирск, 1978), Всеказахстанских межвузовских научных
конференциях по математике и хмеханике (Алматы, 1977, Караганда,
1984), II Республиканской конференции по проблемам вычислительной
математики и автоматизации научных исследований (Алматы, 1988), на
Международной научно-технической конференции (Актау, 1996); на 1-
ом Республиканском съезде по теоретической и прикладной механике
(Алматы, 1996), на Международной научной конференции
«Современные проблемы механики горных пород», посвящеппой 75-
летию академика АН РК Ж.С. Ержанова (Алматы, 1997); на
Международной научной конференции «Математическое
моделирование в естественных науках», посвященной 75-летию академика АН РК А.Т. Лукьянова (Алматы, 1997).
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 30 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, из 8 глав, заключения. Список использованных источников состоит из 171 наименований. Объем диссертации состоит из 252 страниц машинописи, включая 57 рисунков и 9 таблиц.
