Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей шахтного и подземного строительства является обеспечение надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений. Наиболее важным и надежным источником информации о работе конструкций подземных сооружений являются натурные исследования, заключающиеся в измерении различных компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС), характеризующих совместную работу крепи горных выработок и обделок подземных сооружений с массивом горных пород.Натурные измерения выполняются ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами: ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, МГГУ, ЦНИИС транспортного строительства и др.
На сегодняшний день производятся натурные измерения практически любых проявлений горного давления в крепи горных выработках и обделках подземных сооружений: измерение контактных напряжений, напряжений и деформаций в элементах крепи, перемещений (конвергенции) точек крепи.
Трудоемкость выполнения натурных измерений, ограниченность количества результатов и их разнородность по составу определяет актуальность применения информационных подходов для выбора наиболее информативных систем измерений для обоснования необходимости осуществления измерений и оценки их эффективности.
В настоящее время экспериментально-аналитические методы расчета для совместной обработки произвольных компонентов НДС отсутствуют.
Выполнение комплексных исследований НДС крепи горных выработок и обделок подземных сооружений ставит актуальную задачу разработки метода совместной обработки результатов измерения компонентов напряжений и деформаций в многослойной круглой крепи горных выработок и обделках тоннелей с целью получения максимальной научной информации из результатов измерений с последующим использованием их для проектирования и расчета конструкций подземных сооружений.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319, Соглашение № 14.В37.21.0580).
Цель работы заключается в разработке метода совместной обработки результатов натурных измерений напряжений, деформаций и перемещений в отдельных слоях или элементах крепи, позволяющего на основании экспериментально-аналитического метода расчета многослойной крепи протяженных горных выработок и обделок круглого сечения определить расчетные характеристики начального поля напряжений в массиве пород и оценить фактическое напряженно-деформированное состояние крепи (обделки).
Идея работы заключается в решении задачи теории упругости определения НДС многослойного круглого кольца, подкрепляющего вырез в линейно-деформируемой, однородной, изотропной среде, моделирующей массив пород, в обратной постановке, для определения характеристик начального поля напряжений в массиве пород, не зависящих от конструкции крепи (обделки), путем совместной обработки результатов натурных измерений произвольных компонентов напряжений и деформаций.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Оценка фактического напряженно-деформированного состояния многослойной круглой крепи горных выработок и обделок тоннелей основывается на совместной обработке результатов измерений контактных напряжений, нормальных тангенциальных напряжений и перемещений в отдельных слоях или элементах крепи, получаемых в результате комплексных натурных измерений.
2. Совместную обработку разнородных по составу измерений нормальных радиальных и тангенциальных напряжений, деформаций и перемещений необходимо производить с использованием метода наименьших квадратов, путем сведения суммы относительных ошибок всех измерений к минимуму.
3. Характеристики начального поля напряжений, получаемые в результате совместной обработки результатов измерений, не зависят от конструкции крепи (обделки), в которой были выполнены измерения, и используются для расчета любой произвольной конструкции, находящейся в сходных горно-геологических условиях.
4. Оценка надежности и несущей способности крепи и обделок подземных сооружений основывается на информационных критериях необходимости и эффективности натурных измерений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Получено новое аналитическое решение плоской контактной задачи теории упругости для многослойного круглого кольца, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой, однородной, изотропной среде, моделирующей массив пород, в обратной постановке для определения характеристик начального поля напряжений в массиве пород, не зависящих от конструкции крепи (обделки), по результатам совместной обработки результатов разнородных измерений.
2. На основе решения обратной задачи разработан экспериментально-аналитический метод и алгоритм расчета многослойной крепи (обделки), позволяющий производить совместную обработку измерений любых компонентов напряженно-деформированного состояния, расположенных в пунктах измерения с произвольными радиальными и тангенциальными координатами.
3. Обоснованы информационные критерии оценки необходимости и эффективности проведения натурных измерений и установлены зависимости, позволяющие определить необходимость и достаточность систем измерений разнородных компонент напряженно-деформированного состояния крепи для заданной допустимой вероятности разрушения крепи.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы: методы математической теории упругости, математической статистики, теории информации, теории вероятностей, программирования.
Достоверность научных положений и выводовдиссертации обеспечивается применением строгих аналитических решений, имеющих контроль правильности решений, а также абсолютной сходимостью результатов расчета одной и той же конструкции крепи при решении как прямой, так и обратной задачи.
Практическое значение диссертации состоит в разработке алгоритма и программного обеспечения для совместной обработки результатов натурных измерений разнородных компонентов НДС, позволяющего производить многовариантные расчеты многослойной крепи горных выработок и обделок тоннелей круглого поперечного сечения для определения характеристик начального поля напряжений в целях практического проектирования, а также в обосновании информационных критериев и разработке номограмм для выбора наиболее информативных систем измерения.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе. Результаты работы приняты к внедрению ЗАО «Тоннельпроект» при проектировании тоннелей в сложных горно-технических условиях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IV, V, VI Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (г. Тула, 2010, 2011, 2012 гг.), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (г. Тула, 2009, 2010, 2011 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, содержит 137с., включая 24 рисунка, список литературы из 159 наименований и одно приложение.
