Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Многообразие горно-геологических условий залегания пластов и увеличение глубины отработки требует постоянного мониторинга и прогнозирования напряженно-деформированного состояния (НДС) породных массивов, вмещающих горные выработки различного назначения и очертания, базирующегося, как правило, на эффективных численных методах решения.
Многие прикладные задачи горной геомеханики связаны с определением НДС техногенно нарушенного массива горных пород (МГП). Такие задачи решались многими исследователями различными методами математического и физического моделирования. Математическое моделирование имеет определенные преимущества перед физическим, поскольку обладает наибольшей общностью как при описании сущности геомеханических процессов, так и дает возможность исследовать и прогнозировать последние в наиболее широком спектре их определяющих параметров.
В связи с развитием вычислительной техники и методов математического моделирования, наряду с традиционными (широко апробированными) аналитическими методами, все шире применяются численные методы: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ). Эффективное применение этих методов для решения важных прикладных задач горной геомеханики определяется не только возможностями используемого программного комплекса, но и наличием соответствующей методической базы решения подобных задач.
Существенный вклад в теорию и практику горно-геомеханического обеспечения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как Ардашев К.А., Борисов А.А., Бич Я.А., Ковалев О.В., Комиссаров С.В., Лабазин В.Г., Линьков А.М., Петухов И.М., Протосеня А.Г., Проскуряков Н.М., Слесарев В.Д., Шик В.М. и др. В то же время механизм деформирования, разрушения и оседания горных пород при работе высокопроизводительных очистных забоев имеет особенности, требующие дополнительных исследований, поскольку существенно влияет на состояние целиков и подготовительных выработок – особенно при парной (многоштрековой) подготовке выемочных столбов.
Получение надежных прогнозных оценок механических состояний массива (включая компоненты тензоров напряжения и деформации и вектора перемещений), учитывающих временной фактор, позволит своевременно предотвращать опасные проявления горного давления в подготовительных выработках, повысить безопасность ведения горных работ и минимизировать затраты на проведение и эксплуатацию горных выработок. Решение указанной задачи требует дальнейшего эффективного использования методов механики сплошных сред (МСС) с соответствующим отображением процессов обрушения горных пород и оседания подработанной толщи и, соответственно, разработки специальной методики, базирующейся на данных практики (маркшейдерские наблюдения, специальные исследования процессов деформирования и обрушения подработанной толщи, механических характеристик массивов обрушенных пород и т.п.). Все это и обуславливает актуальность темы исследования, а так же структуру и содержание работы.
Цель диссертационной работы. Разработка методики расчета НДС неоднородного слоистого массива, основанной на применении эффективных численных методов и позволяющей повысить надежность прогноза «горно-геомеханической» обстановки на выемочном участке (состояние целиков и участковых выработок), а так же безопасность отработки угольных пластов.
Основные задачи исследования:
1.Обосновать выбор горно-геомеханической модели МГП, адекватной по своим основным свойствам реальному массиву для условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения.
2.Разработать методику численного моделирования (на основе МКЭ) процесса деформирования и обрушения горных пород в выработанном пространстве при отработке пологих угольных пластов.
3.Установить закономерности изменения НДС неоднородного слоистого МГП, вмещающего выработки выемочного участка, на различных этапах отработки угольного пласта с учетом нелинейного процесса деформирования горных пород для условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения.
Идея диссертационной работы. Математическое моделирование НДС неоднородного слоистого массива при управлении кровлей полным обрушением на пологих пластах необходимо проводить на основе разработанного алгоритма, учитывающего закономерности обрушения пород в выработанном пространстве и формирования больших массивов с новыми механическими свойствами.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по проблемам устойчивости участковых подготовительных выработок; методы современного математического моделирования; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей целиков, форм обрушений пород непосредственной кровли в подготовительных выработках; регистрация и анализ величин смещений почвы и кровли; сравнительный анализ и сопоставление результатов моделирования с данными натурных измерений.
Научная новизна диссертационной работы:
установлены закономерности изменения напряженного состояния неоднородного породного массива, вмещающего комплекс выработанных пространств и участковых выработок, в рамках применимости физически линейного процесса деформирования горных пород;
установлены закономерности изменения напряженного состояния целиков и краевых частей горного массива, вмещающего участковые выработки, на различных этапах отработки выемочных столбов в рамках физически нелинейного процесса деформирования горных пород;
Основные защищаемые положения:
1. Моделирование НДС МГП, нарушенного отработкой длинных столбов, целесообразно осуществлять на однородных изотропных геомеханических моделях с последующей оценкой влияния полученного НДС на функции геометрических (мощность), механических (модуль деформации, коэффициент Пуассона) и контактных параметров слагающих слоев непосредственной и основной кровли до момента подбучивания вышележащих слоев обрушенными породами.
2. Моделирование геомеханических процессов обрушения МГП, подработанного длинными столбами, должно производиться с учетом оценки высоты обрушения и деформационных характеристик пород в выработанном пространстве, как функций коэффициента разрыхления обрушенных пород кровли.
3. Моделирование процессов оседания подработанных пород кровли вплоть до поверхности должно учитывать изменчивость деформационных свойств ответственных элементов слоистого МГП как функций трещиноватости последнего, а также использовать нелинейные зависимости физического закона (пошагово) в характерных зонах с сопоставлением с данными маркшейдерских наблюдений.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета НДС МГП на выемочном участке, позволяющей учесть изменение механических характеристик краевых частей массива и обрушенных пород в выработанном пространстве. Результаты диссертационной работы переданы в ООО «СПб-Гипрошахт» для использования при проектировании и используются для горно-геомеханического обоснования проектных решений.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом проанализированной информации по математическим моделям и методам численного моделирования НДС МГП, корректностью выполненных экспериментально-аналитических исследований и удовлетворительной сходимостью их с результатами численного моделирования, широким сопоставлением результатов по разработанной методике как с натурными данными, так и с результатами, полученными другими авторами и по другим методикам.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXXVIII международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2008 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка-2010» (Москва, 2010 г.); на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), семинарах кафедры РМПИ СПГГУ.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке методики проведения исследований, анализе геологических и горнотехнологических условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения, проведении численного моделирования НДС углевмещающего массива для различных участков по длине выемочного столба, выполнении анализа результатов по разработанной методике моделирования НДС МГП с пошаговым изменением геометрии и механических характеристик различных элементов последнего, отображающей процессы разрушения, обрушения и оседания горных пород, выявлении функциональной взаимосвязи между механическими параметрами обрушенных пород в выработанном пространстве и степенью их уплотнения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 источников, приложения, включает 104 рисунка и 12 таблиц.
