Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оцінка стійкості підземних протяжних виробок, що проведені в неоднорідному породному масиві, на основі багатофакторного аналізу

Дніпропетровськ - 2006

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугільна галузь грає важливу роль у вітчизняній економіці, оскільки вугілля - енергоносій, який в достатній кількості є на території України. В умовах ринкових відносин особливу актуальність набуває пошук раціональних рішень на всіх етапах гірничого виробництва. Зокрема, однією з важливих проблем є раціоналізація витрат на підтримку гірничих виробок. Із збільшенням глибини розробки, залученням в розробку пластів, що прилягають до раніше відпрацьованих шахтних полів і т.д., підготовчі та капітальні виробки відчувають інтенсивний вплив гірського тиску, що призводить до руйнування кріплення виробок і втрати експлуатаційної стійкості.

Незважаючи на значні об'єми трудомістких ремонтно-відновних робіт в цілому по шахтах України понад 15% підготовчих виробок знаходяться в незадовільному стані. Цей факт обумовлений різними причинами, одна з яких - мала ефективність засобів підтримки і охорони, недостатня обґрунтованість яких, в свою чергу, пов'язана з відсутністю достатньо об'єктивного прогнозу стану виробок. Підвищення стійкості гірничих виробок можливе лише за умови точної оцінки геомеханічної ситуації, в якій ці виробки функціонують, з урахуванням впливу найбільшої кількості як закономірних, так і випадкових чинників. Випадковий характер прояву гірського тиску пов'язаний з неоднорідністю гірських порід. Неврахування стохастичної складової поведінки породного масиву робить прогноз його стану не адекватним реальності.

Таким чином, дослідження впливу на стан породного масиву неоднорідності гірських порід, яка виявляється в стохастичному розкиді їх властивостей, розробка методики урахування впливу випадкових чинників при оцінці стійкості виробки є актуальною науково-технічною задачею.

Науковою задачею роботи є встановлення закономірностей формування поля напружень і переміщень в неоднорідному породному масиві з урахуванням стохастичної мінливості його деформаційних і міцнісних властивостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України згідно пріоритетному напряму розвитку науки і техніки «Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології» за держбюджетними темами ГП-290 (№ держреєстрації 0102U003022), ГП-321 (№ держреєстрації 0103U001292) і ГП-338 (№ держреєстрації 0104U000780) в Національному гірничому університеті.

Метою досліджень є розробка методики оцінки стійкості гірничих виробок, що дозволяє врахувати на основі багатофакторного аналізу неоднорідність породного масиву, яка виявляється в стохастичному розкиді властивостей вміщуючих порід, що дозволяє підвищити надійність проектування підземної споруди.

Основна ідея полягає у використанні імітаційного моделювання в поєднанні з методами механіки суцільного середовища для визначення напружено-деформованого стану породного масиву з урахуванням стохастичного розкиду властивостей гірських порід.

Об'єктом досліджень є неоднорідний тріщинуватий породний масив, що вміщує протяжні гірничі виробки.

Предметом досліджень є характеристики напружено-деформованого стану породного масиву з випадково розподіленими властивостями.

Основні задачі досліджень включають:

- збір і аналіз статистичних даних про мінливість основних деформаційних і міцнісних характеристик гірських порід;

- дослідження впливу макродефектів на статистичні характеристики і розподіл ймовірностей властивостей порід;

- розробка алгоритму математичного моделювання стохастичного розподілу властивостей порід при визначенні напружено-деформованого стану породного масиву;

- дослідження впливу мінливості властивостей гірських порід на напружено-деформований стан породного масиву навколо виробки;

- розробка методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, який містить статистичні методи обробки даних, математичне моделювання з застосуванням чисельних методів механіки суцільного середовища, методів імітаційного моделювання, статистичної ідентифікації і регресійного аналізу, зіставлення результатів обчислювального експерименту з даними натурних спостережень.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Наявність макродефектів визначає закон розподілу ймовірностей кількісних ознак, які характеризують властивості гірських порід, причому параметри розподілу нелінійно залежать від відстані між тріщинами, урахування чого дозволяє адекватно моделювати стохастичний розкид властивостей гірських порід і підвищити достовірність геомеханічних розрахунків.

2. Урахування стохастичної мінливості властивостей реального породного середовища в порівнянні з детермінованим при математичному моделюванні геомеханічних ситуацій обумовлює, в залежності від варіації основних деформаційних і міцнісних характеристик, збільшення на 30-40% розмірів зон руйнування в масиві та величини зміщень контуру виробки, що дозволяє планувати відповідні інженерні заходи для забезпечення її стійкості.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблений новий алгоритм урахування в геомеханічних розрахунках неоднорідності породного масиву на мікро- і мезорівні, заснований на поєднанні методу скінчених елементів і прийомів імітаційного моделювання, що дозволяє безпосередньо в розрахунковій схемі відобразити стохастичний розкид властивостей гірських порід.

2. Встановлена залежність моментів статистичних розподілів властивостей гірських порід від ступеня тріщинуватості породного масиву, що дозволяє із заданою ймовірністю генерувати випадкові значення вихідних даних при моделюванні неоднорідності середовища.

3. На основі узагальнення результатів обчислювального експерименту вперше встановлена залежність зміщення контуру виробки в неоднорідному середовищі від варіації величин основних фізико-механічних властивостей гірських порід, що дозволяє уточнити раніше отримані рішення геомеханічних задач з урахуванням стохастичної природи вихідних даних.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розподілу напружень і переміщень навколо протяжної гірничої виробки, обумовлених просторовою стохастичною мінливістю фізико-механічних властивостей гірських порід.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки, яка дозволяє здійснити вибір параметрів кріплення на основі запропонованого алгоритму багатофакторного аналізу початкових даних з урахуванням їх стохастичної мінливості.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень механіки суцільного середовища, апробованих методів математичного моделювання породного середовища, задовільною (до 85%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень щодо зміщень контурів підготовчих виробок.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, в розробці алгоритму моделювання об'єкту досліджень, у виконанні і аналізі результатів теоретичних розрахунків, розробці методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід, у формуванні висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на наукових семінарах і конференціях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2002-2006), міжнародній конференції «Форум гірників» (Дніпропетровськ, НГУ, 2005), міжнародній конференції «Тиждень гірника» (Москва, МДГУ, Росія, 2001, 2003-2004), міжнародній конференції «MIOCEN» (Прага, Чехія, 2005), міжнародній конференції «Проблеми геомеханіки і механіки підземних споруд» (Тула, Росія, ТДУ, 2003).

Публікації. За результатами виконаних в дисертації досліджень опубліковані 14 наукових праць, у тому числі 7 у фахових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 7 - у збірках матеріалів конференцій.

Структура й обсяг. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 98 найменувань і додатків. Вона містить 124 сторінки машинописного тексту, 48 рисунків і 20 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 168 сторінок.

міцнісний гірський моделювання породний

Основний зміст роботи

Оцінка стану виробок і прогноз поведінки вміщуючих порід протягом її експлуатації вимагає розгляду конкретної геомеханічної ситуації, яка дуже часто не має аналогів в схожих умовах. В цьому випадку не можна екстраполювати накопичені дані спостережень і використовувати існуючий досвід, в більшості випадків умови проведення і підтримки виробок слід розглядати як специфічні, і виконувати прогноз стану підземної споруди на основі глибокого детального геомеханічного моніторингу.

Його складовими частинами є контроль стану породного масиву і прогнозування можливих змін цього стану на основі фундаментальних законів фізики, а також відомих методів механіки твердого тіла, що деформується. В цій області досягнуті значні успіхи завдяки роботам В.В. Віноградова, Б.М. Усаченка, Л.В. Новікової, Т.А. Паламарчук, В.Д. Петренка і ін. Проте часто за межами досліджень залишається стохастичний характер функціонування підземної споруди. Ймовірносно-статистичний підхід до рішення задач геомеханіки розвивається в працях Л.Я. Парчевського, О.М. Шашенка, Г.Т. Рубця, О.О. Сдвижкової.

Стійкість підземної виробки визначається низкою факторів, чисельні характеристики яких можуть змінюватись випадковим чином. До них відносяться, перш за все, деформаційні і міцнісні характеристики гірських порід, параметри, що характеризують зовнішні навантаження, геомеханічні параметри підземних конструкцій.

Мінливість фізико-механічних характеристик породного середовища є наслідком її природної неоднорідності і спостерігається навіть в межах однієї літологічної різності при випробуванні зразків гірських порід.

В дисертації зібраний і узагальнений великий обсяг статистичної інформації, що міститься в різних джерелах, щодо кількісних оцінок фізико-механічних властивостей вуглевміщуючих порід.

Статистичний аналіз даних про основні деформаційні і міцнісні характеристиках гірських порід дозволив встановити наступні тенденції:

- показники властивостей досліджуваних гірських порід мають значну (не нижче 45%) варіацію значень відносно середнього;

- відповідні емпіричні закони розподілу мають, в основному, характер, який за асиметрією і ексцесом відрізняється від нормального.

Мінливість властивостей гірських порід залежить від великої кількості факторів. Однією з основних серед них є наявність тріщинуватості, яка з різних причин, завжди властива породному масиву. У зв'язку з цим була звернута увага на такий факт. При виготовленні породних зразків ті з них, які перетнуті тріщиною, руйнуються до початку випробувань і таким чином не беруть в них участь. Тим самим порушується уявлення про міцність і деформацію реального породного масиву.

В роботі обґрунтований спосіб визначення статистичних характеристик для так званого, «виправленого» варіаційного ряду, в який умовно додані елементи, що містять макродефекти.

З урахуванням наявності систем тріщин початкові моменти розподілу приймають вигляд:

, (1)

де - коефіцієнт впливу тріщин;

- значення ознаки, що спостерігається;

- частота;

l_m - середня відстань між тріщинами;

l₀ - характерний розмір зразка;

- функція, що враховує ступінь порушеності дефектного зразка.

З початковими моментами розподілу відомими співвідношеннями пов'язані центральні моменти , які визначають дисперсію , відносну варіацію розподілу , а також нормовані показники асиметрії і ексцесу . З урахуванням систем тріщин, тобто з урахуванням умовного додавання у виробку порушених елементів, показники розкиду набувають вигляду:

. (2)

Тут - відносна варіація значень деформаційної або міцністної характеристики для початкової вибірки, що отримана безпосередньо при випробуванні зразків. Показники асиметрії і ексцесу також змінюються з урахуванням систем тріщин:

, , (3)

де .

Таким чином, встановлено, що наявність тріщин в реальному породному масиві не тільки впливає на статистичні оцінки досліджуваної ознаки, але змінює закон розподілу ймовірностей всіх його механічних параметрів. Причому ступінь відхилення емпіричного закону розподілу від симетричного визначається відстанню між тріщинами.

З урахуванням цього факту, на основі методу скінчених елементів, розроблений алгоритм урахування стохастичної мінливості фізико-механічних властивостей породного масиву. Для відображення випадкового розподілу властивостей в кожній точці масиву використані прийоми імітаційного моделювання, суть якого полягає в проведенні на обчислювальній машині статистичного експерименту з моделлю досліджуваної системи.

В алгоритм МСЕ з використанням методу інверсії включений модуль, який реалізує в кожному скінченому елементі генерацію випадкових значень модуля пружності , коефіцієнта Пуасона і меж міцності на одновісне стиснення і розтягування відповідно до певного закону розподілу.

На першому етапі розрахунків вплив природного розкиду початкових даних досліджувався на моделі пружного середовища. Лінійну деформацію відповідно до закону Гука визначають такі константи як модуль Юнга і коефіцієнт Пуасона. Щоб прослідити вплив варіації цих чинників на переміщення контуру виробки була вибрана найпростіша розрахункова схема - плоский перетин окремої виробки, що деформується під дією гравітаційних сил.

Дослідження показали, що переміщення точок контуру в лінійному середовищі з усередненими властивостями на 10-15% менше ніж переміщення цих же точок в середовищі із стохастичним розподілом властивостей . Залежність різниці між величинами зміщень , від варіації модуля пружності і коефіцієнта

Відзначимо, що, в середовищі, яке деформується лінійно, мінливість деформаційних констант не викликає якісної зміни розподілу переміщень точок приконтурного масиву, тому наступним етапом досліджень було рішення задачі про напружено-деформований стан масиву навколо виробки з урахуванням деформації порід за межею міцності. При цьому найважливішим параметром, який визначає розвиток деформаційного процесу, є межа міцності на стиснення.

Мінливість межі міцності, а також одночасна мінливість модуля пружності і коефіцієнта Пуасона викликає мінливість граничної деформації . При цьому утворюється стохастична сукупність кривих «», які відображають деформаційний процес в різних точках неоднорідного масиву

Для побудови спадаючої частини можливих випадкових реалізацій діаграми «» використовується співвідношення:

,

яке є описом закономірної складової загального стохастичного процесу деформування порід за межею міцності.

Для дослідження впливу мінливості властивостей гірських порід на величину переміщень, всі елементи дискретизації області були розподілені на 90 груп. Для кожної з груп в розрахунку генерувалися випадкові значення основних фізико-механічних характеристик і будувалися випадкові діаграми одновісного стиснення «». Генерація здійснювалася за рівномірним, нормальним і логарифмічно нормальним законами розподілу з різними значеннями коефіцієнтів варіації, які властиві даному механічному параметру.

Природний розкид основних фізико-механічних характеристик впливає і на розмір зони непружних деформацій навколо виробки. За критерій міцності використана умова Парчевського-Шашенка:

, (4)

де - компоненти тензору напружень, , - відповідно межа міцності на одновісне стиснення і розтягнення.

Таким чином, з використанням методів імітаційного моделювання розроблений алгоритм визначення напружено-деформованого стану породного масиву, що деформується за межею міцності з урахуванням стохастичного розкиду фізико-механічних властивостей породного середовища. Даний алгоритм дозволяє з найбільшою адекватністю моделювати різні гірничотехнічні ситуації, що пов'язані з видобутком корисних копалин і підтриманням підземних виробок.

Очевидним висновком, що випливає з великої кількості варіантів розрахунків, є той факт, що природний стохастичний розкид фізико-механічних характеристик в області масиву, де реалізується прояв гірського тиску, істотно впливає на інтенсивність цього прояву, а саме на величину зміщень контуру виробки, а також на розміри зони непружних деформацій. Причому, істотність цього впливу (до 40-50%) має місце саме у разі функціонування підземної виробки в непружному середовищі, що деформується за межами міцності.

Ступінь впливу стохастичного розкиду властивостей визначається величиною варіації значень кожної з механічних характеристик щодо середнього. Це витікає з тих розрахунків, в яких варіювалися в різному ступені модуль пружності, межі міцності на стиснення і розтягування, коефіцієнт Пуасона.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей формування поля напружень і переміщень в неоднорідному породному масиві з урахуванням статистичної мінливості його деформаційних і міцнісних властивостей вирішена актуальна задача оцінки стійкості протяжної підземної виробки на основі багатофакторного аналізу, з метою підвищення надійності її експлуатації.

Основні наукові і практичні результати роботи.

1. На основі аналізу статистичних сукупностей фізико-механічних характеристик гірських порід встановлено, що:

­ міцнісні і деформаційні властивості середовища мають істотну (не нижче 45%) мінливість навіть в межах однієї і тієї ж літологічної різниці;

­ наявність тріщин змінює всі статистичні оцінки властивостей порід і впливає на закон розподілу їх ймовірностей, причому показники асиметрії і ексцесу емпіричних розподілів нелінійно залежать від відстані між тріщинами.

2. Виходячи зі встановлених закономірностей імовірнісного розподілу властивостей гірських порід, розроблені принципи імітаційного моделювання стохастичної неоднорідності породного масиву і розроблений алгоритм визначення його напружено-деформованого стану навколо виробок з урахуванням мінливості основних деформаційних і міцнісних характеристик, що підвищує вірогідність геомеханічних розрахунків.

3. Розрахунками за розробленим алгоритмом встановлено, що неоднорідність породного масиву, яка виявляється в природному розкиді показників його фізико-механічних властивостей, обумовлює збільшення (в порівнянні з однорідним середовищем) на 30-40% зміщення контуру виробки і розмірів зони руйнувань залежно від величин варіації основних деформаційних і міцнісних характеристик порід (модуля пружності, коефіцієнта Пуасона, меж міцності на одновісне стиснення і розтягування).

4. Модифікований стосовно задач геомеханіки метод групового урахування аргументів, на основі якого узагальнені результати обчислювального експерименту представницького обсягу і отримані узагальнюючі багатофакторні залежності для урахування варіації початкових даних при розрахунку переміщень контуру протяжної виробки і розмірів зон руйнування навколо неї, що дозволило розробити інженерну методику оцінки стійкості протяжної виробки. «Методика визначення зміщень контуру протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід» затверджена інститутом НДІОМШБ, м. Харків.

5. Запропоновано імовірнісну модель стійкості протяжних виробок, яка дозволяє обґрунтувати величину коефіцієнта запасу стійкості, необхідного для практично безремонтної підтримки виробки з відомою ймовірністю. Вірогідність розробленої моделі підтверджується збігом результатів розрахунків величин зміщень з даними натурних спостережень.

6. Виконано прогноз стійкості і вибір параметрів кріплення для умов шахти ім. Бажанова (конвеєрний штрек 6-й західної лави). Очікуваний економічний ефект за рахунок скорочення обсягів ремонтних робіт складає 568 тис. грн. на 1000 п.м. виробки.

Размещено на Allbest.ru