Введение к работе
Актуальность проблемы. Освоение месторождений водорастворимых руд, как правило, осуществляется камерной системой разработки. Это связано, в первую очередь, с необходимостью защиты шахт и рудников от прорыва вод в горные выработки. В мировой практике насчитывается более 80 горнодобывающих предприятий, затопленных в результате поступления воды в выработанное пространство. В ряде случаев причиной техногенных катастроф и аварийных ситуаций (массовые обрушения, ускоренные и критические оседания земной поверхности и т.д.) является несовершенство методик расчета параметров системы разработки. Это связано с тем, что оценка устойчивости междукамерных целиков, как правило, производится инженерными способами, которые не позволяют отразить в расчетах специфические особенности их деформирования и разрушения во времени, пространственную неоднородность напряженного состояния, динамику ведения горных работ.
Таким образом, совершенствование методов расчета устойчивости междукамерных целиков, направленное на учет экспериментальных закономерностей изменения под влиянием различных факторов их прочностных и деформационных показателей и базирующееся на пространственном математическом моделировании геомеханических процессов, является важной и актуальной задачей для теории и практики разработки месторождений водорастворимых руд.
Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планами общеакадемической проблемы 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", тема "Разработка комплекса геолого-геофизических, геомеханических и технологических мероприятий по предотвращению нарушений сплошности водозащитной толщи на месторождениях полезных ископаемых, залегающих в аномально-сложных горно-геологических условиях", утвержденная Постановлением ГКНТ СССР № 191 от 21.06.88 г. (№ гос. per. 01890011297); темы "Исследование закономерностей деформирования и разрушения осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия", утвержденной Постановлением Президиума АН № 292 от 12.04.88 (№ гос. per. 01.9.90 000447), а также Грантов Российского фонда фундаментальных исследований: "Крупномасштабное математическое моделирование процессов деформирования и разрушения подработанных соляных массивов" (№ 96-05-64849); "Дистанционный сейсмогеомеханический контроль устойчивости массива в процессе ведения очистных работ" (№ 98-05-65490).
Целью работы является разработка методов пространственного расчета устойчивости системы междукамерных целиков, отражающих основные особенности их деформирования и разрушения в процессе ведения очистных работ.
Идея работы заключается в учете экспериментальных зависимостей основных механических характеристик междукамерных целиков от времени и
вида напряженного состояния при трехмерном математическом моделировании процесса их деформирования и разрушения. Задачи исследований:
усовершенствовать вычислительные схемы метода геометрического погружения для повышения эффективности решения трехмерных задач геомеханики;
на основе обобщения экспериментальных данных выполнить оценку влияния фактора времени и вида напряженного состояния на характер деформирования и разрушения соляных междукамерных целиков;
выполнить серию плоских и пространственных расчетов устойчивости системы междукамерных целиков для установления основных закономерностей их разрушения в процессе очистной выемки;
определить условия перехода от квазистатического разрушения к динамическому при многопластовой отработке калийных пластов.
Методы исследований включали обработку и анализ результатов лабораторных и натурных измерений, использование аппарата механики сплошных сред, алгоритмы и процедуры вычислительной математики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Формирование зон техногенной субвертикальной трещиноватости в подработанном массиве связано, в основном, с конфигурацией выработанного пространства типа "обратный угол", которое имеет место при последовательной отработке панелей и блоков.
-
Метод трехмерного расчета несущей способности системы междукамерных целиков за пределом прочности, базирующийся на дискретизации их плоша-ди на отдельные элементы и учитывающий пространственную неоднородность напряженного состояния посредством рекуррентной схемы определения параметров запредельного деформирования для каждого выделенного элемента сечения.
-
Структурная реологическая модель целика, отражающая характер его деформирования за пределом прочности, возможность разгрузки на стадии разупрочнения и зависимость основных прочностных и деформационных параметров от скорости нагружения и времени для прогноза разрушения конструктивных элементов камерной системы разработки в процессе движения фронта очистных работ.
-
Условия, определяющие потенциальную возможность динамического разрушения междукамерных целиков, могут быть реализованы при многопластовой отработке калийных пластов в случае внезапного обрушения между-пластья, что обуславливает формирование "нового" целика с высоким отношением высоты к ширине и его резкую пригрузку за счет мгновенного снижения несущей способности.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, обеспечивается: корректностью применяемого математического аппарата; использованием объективной геомеханической информа
ции для параметрического обеспечения модели; строгой постановкой теоретических задач, решением тестовых примеров; качественным соответствием расчетов современным представлениям о закономерностях развития деформаций в междукамерных целиках; сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений за процессом разрушения системы междукамерных целиков.
Научная новизна работы:
применительно к пространственному анализу напряженно-деформированного состояния подработанного слоистого массива разработана новая модификация численной реализации метода геометрического погружения, основанная на двойном разложении вектора смещений в ряды Фурье;
построены эмпирические зависимости изменения запредельных характеристик соляных пород от формы образцов, вида напряженного состояния и скорости приложения нагрузки;
установлены закономерности влияния формы выработанного пространства на характер деформирования и разрушения соляного массива;
построен ряд вычислительных процедур трехмерного варианта конечно-элементной реализации метода геометрического погружения, позволяющих отразить неоднородность напряженного состояния междукамерных целиков, их разгрузку на стадии разупрочнения, изменение механических характеристик во времени;
на основе решения комплекса задач о деформировании системы междукамерных целиков выявлены основные особенности их статического разрушения в процессе движения фронта очистных работ.
Практическая значимость:
разработана методика пространственного расчета устойчивости системы междукамерных целиков;
построена схема учета влияния конфигурации выработанного пространства на напряженное состояние подработанного массива;
разработан метод определения срока службы междукамерных целиков.
Реализация работы. Разработанные расчётные методики и алгоритмы использованы для оценки остаточных сроков службы междукамерных целиков на участке аварийного обрушения пород рудника СКРУ-2 и для анализа причин аварии первой категории на шахте "Центральная" ОАО "Воркутауголь". Вычислительные схемы трёхмерного моделирования напряжённо-деформированного состояния использовались для анализа влияния формы выработанного пространства на безопасные условия подработки водозащитной толщи в пределах шахтных полей рудников ОАО "Уралкалий" и ОАО "Сильвинит".
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на ряде всероссийских и международных конференций, в том числе на Межрегиональной научно-технической конференции
"Математическое моделирование систем и процессов" (Пермь, 1994 г.), на Международном симпозиуме SPM-95 "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995), на Всероссийской конференции молодых ученых "Математическое моделирование физико-механических процессов" (Пермь, 1996 г.), на Международной конференции " Геомеханика в горном деле - 96 " (Екатеринбург, 1996 г.), на Международной конференции "Горные науки на рубеже XXI века" (Москва-Пермь 1997 г.), на XX зимней школе по механике горных пород (Вроцлав Польша, 1997 г.), на международной конференции "Проблемы безопасности и совершенствования горных работ" (Москва-Санкт-Петербург 1999 г.), на научных сессиях и семинарах Горного института УрО РАН (Пермь, 1997 г., 1998 г., 1999 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных трудов.
Объём работы и сё структура. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 168 страницах, содержит 54 иллюстрации и 10 таблиц. Список использованных источников состоит из 109 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь, и внимание сотрудникам лабораторий механики горных пород и физических процессов горного производства ГИ УрО РАН.