Введение к работе
Актуальность. Многие месторождения полезных ископаемых находятся в зонах сейсмической активности. Месторождения разрабатываются преимущественно подземным способом, при котором вскрытие осуществляется с помощью вертикальных стволов. Подземные сооружения, в частности, вертикальные стволы горных выработок, являются чрезвычайно важными и ответственными сооружениями. Стоимость их сооружения велика, а выход из строя сопряжен с большими экономическими потерями.
Проектирование, строительство и эксплуатация подобных сооружений требуют обоснованного подхода к анализу воздействия сейсмических нагрузок на различные типы конструктивных элементов сооружений, определения их напряженного и деформированного состояний с целью разработки и совершенствования методов расчета их сейсмичности.
Несмотря на то, что существуют карты сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97), согласно которым строятся любые сооружения, в т.ч. подземные, даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место и возможны в будущем достаточно сильные и разрушительные землетрясения.
В связи с этим важной задачей является непрерывный мониторинг уровня сейсмической опасности с целью принятия необходимых административных и технических мероприятий для предотвращения повреждения крепи вертикальных стволов.
Таким образом, исследования, посвященные совершенствованию проектирования крепи с учетом геодинамической активности территории строительства, являются актуальной научной проблемой.
Целью работы являлось уточнение закономерностей геодинамической активности территории, влияющее на прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива, с целью учета сейсмических нагрузок на крепь вертикальных стволов, что обеспечит повышение уровня инженерных решений при проектировании крепи стволов.
Идея работы заключается в том, что усовершенствованная методика расчета крепи вертикальных стволов учитывает дополнительную прогнозную нагрузку, обусловленную динамикой фиксируемых сейсмособытий на рассматриваемой территории.
Основные научные положения, выносимые автором на защиту:
- геодинамическая активность территории прогнозируется на основе уравнения макросейсмического поля Н.В. Шебалина с учетом свойств горных пород, при этом величина геодинамического очага в сферическом приближении является функцией магнитуды, прогнозируемой методом сингулярного разложения;
- при построении прогнозных значений сейсмичности методом сингулярного разложения для формализации идентификации шумовой компоненты ряда следует проводить построение корреляционной матрицы между восстановленными компонентами ряда и исходным рядом, что повышает качество прогноза;
- условное сейсмическое ускорение частиц пород является функцией интенсивности и определяется на основе построения прогнозных значений магнитуды методом сингулярного разложения, что позволяет рассчитывать прогнозные значения нормальных тангенциальных напряжений от действия продольных и поперечных волн при оценке напряженного состояния крепи.
Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:
- усовершенствована математическая модель на основе метода сингулярного разложения, которая позволяет использовать его в автономном режиме для анализа и построения прогнозных значений тренда временных рядов;
- при построении прогнозных значений уровня геодинамической активности на рассматриваемой территории методом сингулярного разложения использован не одномерный, а двумерный временной ряд, что повысило качество прогноза;
- разработан комплекс программных средств, позволяющий автоматизировать процесс расчета напряжений в крепи с учетом прогнозируемого уровня геодинамической активности, а также проводить вычислительные эксперименты при моделировании различных уровней сейсмичности и типов крепи вертикальных стволов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректной постановкой задач исследований и использованием классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных компьютерных технологий;
- анализом и обработкой достаточно большого объема имеющихся в свободной доступе данных фактических сейсмособытий на рассматриваемой территории, показаний каналов сейсмографа станции «Талая» и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности применяемой модели для построения прогнозных значений тренда геодинамической активности, а также обоснованности выводов и рекомендаций;
Практическая значимость работы заключается в том, что использование метода сингулярного разложения позволяет прогнозировать динамику сейсмособытий, а разработанный комплекс программных средств позволяет оперативно производить расчеты напряжений в крепи с учетом прогнозируемого уровня сейсмической опасности и принимать решения о необходимости технических решений на стадии проектирования с целью предотвращения повреждений крепи.
Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке уровня сейсмической опасности ОАО «Тыретский солерудник». Комплекс программных средств используется в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело», в ТулГУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); ежегодных научно–практических конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2010-2012 гг.); I Всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти», «Информтех-2008» (г. Курск, 2008г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2007-2011гг.); Международной конференции "Аналитические методы расчета инженерных конструкций подземных сооружений", посвященной 80-летию профессора Н.С.Булычева; Международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; 8-я Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 7 статей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 141 страницах машинописного текста, содержит 44 иллюстрации, 30 таблиц, список литературы из 109 наименований.
Автор выражает благодарность д-ру. техн. наук, профессору Н.С. Булычеву за методическую помощь и организационную поддержку при проведении исследований.
