Введение к работе
; ' ' '' ' _
Актуальность работы. Проблема разрушения горный цоррд'.в одной из наиболее опасных форм проявления, которой являются горные удары, известна около двухсот лет и является сегодня.актуальной цля шахт и рудников большинства развитых стран мира. В последние десять лет на 194 шахтах Кузнецкого, Кизеловского, Печорского и пругих месторождений насчитывается 847 шахтопластов, опасных по горным ударам и выбросам. Количество месторождений, отнесённых s удароопасным, и число различных сейсмических событий (толчков, лреляний и собственно горных ударов) с начала семидесятых годов гімеют тенденцию к нарастанию. Так, в 1990 году на Таштагольском келезорудном месторождении зарегистрировано более 1200 сейсмических событий с энергией от 101 до 108 Дж, при этом среднее значение зыделившейся сейсмической энергии одного события составило ^3,02-105 Дж, а в 1994 году при общем уменьшении количества зафиксированных событий среднее значение энергии было «5,06-105Дж. В )яде случаев горные удары являются причиной человеческих.жертв, іарушают нормальный ритм и режим работы предприятий, значительно повышают расходы на добычу полезных ископаемых.
В связи с этим проблема прогноза горных ударов на сегодня >стаётся одной из самых актуальных задач горного производства. Со-"ласно существующим представлениям процесс подготовки разруше-іия в виде горных ударов и других, более крупных сейсмических яв-сений, происходит длительное время и в большом объёме горных по-)од, то есть может рассматриваться как вероятностный кинетический іроцесс самоорганизации иерархической блочной системы по І.Р.Пригожину, Г. Хакену. Горный удар является следствием выделе-іия энергии механических напряжений при разрушении блока горных юрод определённых размеров в результате развивающегося в этом^ ілоке кинетического процесса трещинообразования, локализации іазрушения и перехода из неустойчивого равновесия, рождающегося : период локализации, в устойчивое состояние вследствие образовали и быстрого распространения магистрального разрыва с размера-ш, соизмеримыми с размерами структурного блока массива. Суще-твенное влияние на этот процесс оказывают горногеологические и орнотехнические условия разработки месторождения, которые могут вменять величину действующих в массиве напряжений, ускоряя или амеддяя кинетический процесс трещинообразования.
Как правило, целью прогноза горных ударов является оценкг места, времени и энергии готовящегося разрушения. Кинетическая природа разрушения позволяет говорить о нём как о процессе, протекающем во времени. Однако статистический аспект, обусловленный случайным характером места и времени возникновения разрушающих термофлуктуаций ещё мало исследован. Поэтому вопросы статистических закономерностей трещинообразования, вероятностный механизм разрушения на различных масштабных уровнях требуют дополнительных исследований с привлечением новейших методов горной геофизики, теории вероятностей, математической статистики, вычислительной техники и математического моделирования. Применение же качественно новой методологии научных исследований - вычислительного эксперимента, суть которого наиболее полно отражается в триаде "модель-алгоритм-программа", позволяет получить новые результаты при прогнозировании разрушения не только горных пород, но и других твёрдых тел.
. Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Связь темы диссертации с государственными научными программами. Исследования проводились в рамках государственных и отраслевых комплексных программ и постановлений ОЦ 009 ГКНТ СССР на 1981-1990 г.г. (этап "Разработать, создать и внедрить средства контроля за состоянием массива", приказ МУП СССР от 15.02.81), ГКНТ №56 от 10.03.86 (П.6 "Разработать системы геомеханического обеспечения горных работ при комплексном освоении недр, создать методы оценки состояния массива и геомеханические модели месторождений"), МП-21 Г "Разработать и внедрить способы и средства прогнозирования и предотвращения горных ударов", в рамках программы "Уголь Кузбасса", являющейся составной частью региональной программы "Сибирь" в соответствии с постановлением ГКНТ СССР и Президиума АН СССР от 13.07.84 №385/96.
Цель работы - разработка основ статистической теории и математических методов построения имитационных моделей эмиссионных процессов при формировании очага разрушения в массиве горных пород для автоматизированного прогноза горных ударов.
Идея работы заключается в использовании статистических закономерностей эмиссионных процессов (импульсного электромагнитного излучения и акустической эмиссии) при рождении трещин для определения кинетических констант очага разрушения и прогноза времени до разрушения контролируемого блока массива горных пород.
Задачи исследований:
разработать, обосновать и реализовать в виде комплекса программ для ЭВМ кинетико-статистическую модель процесса разрушения структурно-неоднородных горных пород с целью определен'йЯ'КО-шчественных критериев контроля разрушения на основе исследования закономерностей трещинообразования при имитационном моде-шровании разрушения горных пород;
разработать математическую модель генерирования электромагнитного излучения при раскрытии трещины с целью получения за-шсимостей, связывающих параметры электромагнитного излучения с механическими и электрическими свойствами горных пород, характе-)истиками процесса трещинообразования;
разработать методики, алгоритмы и программы статистическо-о оценивания кинетических констант прочности и долговечности орных пород с целью проверки адекватности созданных моделей ікспериментальньїм данным;
разработать и реализовать в виде программ для ЭВМ комплекс гмитационных фрактальных моделей роста трещин раскола, разли-[ающихся анизотропией образования и блуждания случайных дефек-ов с целью получения зависимости величины оценки фрактальной іазмерности моделируемых трещин от анизотропии процесса образо-;ания элементарных дефектов;
разработать математическую модель обобщённого импульсно-о процесса с произвольным значением показателя Херста, методику, лгоритмы и программы статистического оценивания показателя Серста для исследования херстовскои статистики разрушения горных юрод на различных иерархических уровнях;
разработать метод и алгоритм контроля стадий процесса раз-іушения на основе регистрации сигналов электромагнитного излуче-:ия с его реализацией в программном обеспечении для ЭВМ;
разработать метод, алгоритм и программное обеспечение, ба-ирующееся на технологии автоматизированных баз данных, для ав-оматизированного прогноза горных ударов на основе кинетико-гатистической модели с учётом персистентности случайного процес-а накопления повреждений.
Методы исследований:
- обобщение и анализ статистического материала об импульсном
лектромагнитном излучении, сопровождающем разрушение горных
ород в различных режимах нагружения;
- имитационное моделирование процесса разрушения горных
ород и импульсного электромагнитного излучения на базе разрабо-
тайных кинетико-статистической, фрактальной и херстовской моделей с помощью ЭВМ;
использование теории фрактальных временных рядов и импульсных случайных процессов при формировании новых представлений о статистике импульсного излучения;
программные расчёты кинетических констант прочности и долговечности различных горных пород месторождений, отнесённых к угрожаемым по горным ударам, оценивание и анализ динамики показателя Херста случайного процесса накопления повреждений при формировании очага горного удара, расчёты характеристик трещин и электромагнитного излучения;
- статистическая обработка лабораторных экспериментов, ре
зультатов имитационного моделирования и каталога наблюдений
шахтной сейсмостанции.
. Научные положения, защищаемые автором:
случайный процесс трещинообразования на первой стадии разрушения нагружаемых горных пород является стационарным процессом, переход на вторую стадию разрушения характеризуется лавинным нарастанием числа трещин и нарушением стационарности процесса трещинообразования;
кинетико-статистичесая модель разрушения горных пород учитывает кинетический характер и вероятностную природу процесса трещинообразования;
интенсивность случайного процесса трещинообразования зависит от интенсивности действующих в массиве напряжений, а текущее время связано с числом накопленных трещин;
имитационная модель генерирования электромагнитного излучения при формировании очага разрушения учитывает, что эмиссия происходит в результате ускоренного движения берегов образующихся трещин;"
напряжённость поля электромагнитного излучения зависит от величины дипольного момента трещины, а скорость распространения трещины связана с величиной времени нарастания фронта регистрируемого импульса электромагнитного излучения;
- - имитационные фрактальные модели роста трещин раскола горных пород учитывают различные способы образования и блуждания элементарных дефектов, оцениваемая при этом величина фрактальной размерности образующихся двухмерных трещин зависит от анизотропии процесса их образования;
- процесс импульсной эмиссии, сопровождающей разрушение
горных пород, на первой стадии является антиперсистентным случай-
іьім процессом, а на второй - персиситентным процессом, характери-
уемым значениями показателя Херста, лежащими в определённом
[иапазоне; -и;::
модель персистентного импульсного процесса, определяемая тепенным законом для среднего числа трещин, указывает-на возмож-; юсть протекания такого процесса только на ограниченном времен-[ом интервале и приводит к аналогу концентрационного критерия іазрушения, связывающего размер и концентрацию трещин с показанием Херста;
метод контроля стадий процесса разрушения и разработанные лгоритмы автоматизированного прогноза времени до разрушения читывают стадийность случайного процесса накопления поврежде-[ий, интенсивность которого определяется по счёту импульсов эмис-ионного процесса (электромагнитного или акустического);
оцениваемый ресурс долговечности горных пород зависит от [оследней оценки функции состояния материала, которая связана с оличеством накопленных импульсов непрерывно регистрируемой миссии.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций юдтверждается:
корректностью и положительными результатами использова-:ия апробированных статистических методов проверки гипотез при ровне значимости 0,05 о характере распределения количества им-ульсов эмиссионных процессов из разрушаемых горных пород и декватности разработанных математических моделей эксперимен-альным данным;
сопоставимостью результатов имитационного моделирования с езависимыми результатами других исследователей, а также с данны-[и лабораторных экспериментов и натурных наблюдений;
совпадением результататов оценки по разработанной методике есурса долговечности разрушаемых образцов горных пород и протезируемого времени до разрушения контролируемых блоков масси-а горных пород с натурными наблюдениями.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
впервые установлен пуассоновский характер случайного ста-ионарного процесса трещинообразования на первой стадии разру-іения горных пород;
разработана, обоснована и реализована в виде комплекса про-рамм оригинальная кинетико-статистическая двухстадийная модель роцесса разрушения горных пород, отличающаяся тем, что в ней первые объединены концентрационный критерий разрушения, уело-
виє необратимости накопления повреждаемостей, пуассоновский характер распределения и кинетическое уравнение трещинообразова-ния;
разработана и реализована в виде программы для ЭВМ новая имитационная модель импульсного электромагнитного излучения, сопровождающего разрушение горных пород при различных режимах нагружения;
разработаны оригинальные методики, алгоритмы и программы получения новых вероятностных оценок ресурса долговечности разрушаемых горных пород, статистических оценок фрактальной размерности модельных трещин раскола, оценок показателя Херста случайных импульсных эмиссионных процессов при разрушении горных пород на различных иерархических уровнях;
впервые установлена персистентность процесса импульсной электромагнитной эмиссии, сопровождающей вторую стадию разрушения нагружаемых горных пород;
предложена оригинальная математическая модель импульсного персистентного процесса трещинообразования, приводящая к аналогу концентрационного критерия разрушения;
разработаны новые методы и алгоритмы контроля стадий процесса разрушения' и автоматизированного прогноза горных ударов определённого энергетического уровня на основе непрерывной регистрации импульсного электромагнитного излучения при рождении трещин.
Личный вклад автора состоит:
в установлении пуассоновского характера случайного процесса трещинообразования на первой стадии разрушения горных пород;
в разработке и обосновании кинетико-статистической двухста-дийной модели разрушения горных пород с её реализацией методами статистического моделирования в виде программного обеспечения для ЭВМ;
в установлении статистических закономерностей сопровождающего разрушение горных пород импульсного электромагнитного излучения и разработке имитационной модели излучения из очага разрушения с её реализацией методом Монте-Карло в виде программного обеспечения для ЭВМ;
в разработке методик и алгоритмов статистического оценивания кинетических констант уравнения прочности и оценки ресурса долговечности горных пород с реализацией всех вычислений в автоматизированном режиме;
в разработке и программной реализации имитационных^ фрак-альных моделей роста трещин раскола горных пород, в получении щенок фрактальной размерности модельных трещин; ' ' \'.и.:--
в разработке методик и алгоритмов получения; статистических щенок показателя Херста импульсного персистентного процесса лектромагнитного излучения, сопровождающего вторую -стадию іазрушения горных пород;
в установлении количественных критериев перехода случайно-о процесса разрушения горных пород на вторую нестационарную тадию;
в разработке программного обеспечения автоматизированной іазьі данных "SEISMIC", предназначенной для хранения и статисти-еской обработки сейсмической информации, регистрируемой шахт-юй сейсмостанцией;
в разработке методов и алгоритмов прогноза времени до гор-:ого удара определённого энергетического уровня.
Практическая ценность. Результаты выполненной работы позво-:яют:
- моделировать процесс разрушения горных пород при измене-
ми интенсивности действующих напряжений и сопровождающее его
;мпульсное электромагнитное излучение из очага горного удара в
іассиве горных пород с помощью ЭВМ;
- определять в автоматизированном режиме статистические
>ценки констант прочности и долговечности для любых горных пород
патент №2020476 РФ);
- определять параметры статистического процесса трещинообра-
ования, характеристики микротрещин (а.с. №1550138) и импульсного
лектромагнитного излучения в нагружаемых образцах горных пород;
- оценивать текущий ресурс долговечности и прогнозировать
ремя до разрушения контролируемых блоков массива горных пород.
Реализация результатов:
программа расчёта энергии электромагнитного излучения ис-ользована при составлении "Указаний по безопасному ведению гор-ых работ на Константиновском месторождении, угрожаемом по гор-ым ударам";
комплекс программ передан на сейсмостанцию "Таштагол" и в аштагольское рудоуправление для обработки результатов наблюде-ий за проявлениями горного давления и землетрясениями в районе эрода Таштагол;
программные средства для обработки лабораторных наблюде-ий с целью получения параметров статистического процесса трещи-
нообразования, характеристик микротрещин и импульсного электро магнитного излучения в нагружаемых образцах горных пород реали зованы на вычислительном центре КузГТУ;
- алгоритм контроля стадий процесса разрушения и оценки ре сурса долговечности использован при разработке программногс обеспечения автоматизированной системы прогноза времени до раз рушения образцов горных пород, созданной в КузГТУ на базе мик-роЭВМ ДВК-ЗМ;
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на IV Всесоюзном семинаре по горной геофизша (г.Боржоми, 21-26 сентября 1987 г.), на II Всесоюзной школе-семинаре по акустоэмиссионным преобразователям (г. Телави, 21-26 ноябр; 1988 г.), на IX Всесоюзной конференции по механике горных поро; (г.Фрунзе, 3-5 октября 1989 г.), на V Всесоюзном семинаре по горное геофизике (г. Телави, 30 октября - 2 ноября 1989 г.), на X Всесоюзної: научной конференции "Физические процессы горного производства' (г. Москва, 29-31 января 1991 г.), на региональной научно-технической конференции "Компьютерные технологии в горном деле' (г. Екатеринбург, 3-6 июня 1996 г.), на международной конференции "Геомеханика в горном деле-96" (г. Екатеринбург, 4-7 июня 1996 г.) на И, региональном симпозиуме АРСОМ-97 "Применение компьютеров и исследование операций в горной промышленности" (г. Москва 24-28 августа 1997 г.), докладывались на межрегиональных совещаниях по проблеме предотвращения горных ударов (г. Таштагол, февраль 1988 г., март 1989 г.), на областной научно-практической конференции "Молодые учёные Кузбасса - народному хозяйству" (г. Кемерово, 5-6 июня 1990 г.), на научных семинарах Института угля СО РАН к кафедры РМПИ КузГТУ.
. Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, включая авторское свидетельство и патент РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и пяти приложений, изложенных на 312 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 242 наименований.
Работа выполнена на кафедрах разработки месторождений полезных ископаемых и вычислительной техники Кузбасского государственного технического университета.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам названных кафедр а также сотрудникам лаборатории физической кинетики разрушения горных пород докт. техн. наук, профессору В.В. Иванову, докт. техн. наук, профессору Д.В. Алексее-
ву, канд. техн. наук. Л.А. Колпаковой, с.н.с. А.А. Мальшину, с.н.с.
Т.М. Черниковой за помощь в'решении многих проблему а'также на
учному консультанту работы докт. техн. наук, профессоруТТ.В.'Его-
рову за постоянное внимание к работе на всех её этапах и творческое
обсуждение результатов. ' ''<'
