Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні методик і принципів розрахунків методом скінченних елементів в режимі реального часу з урахуванням гідрогеологічного фактора, розробці уніфікованих розрахункових схем і алгоритмів програм автоматизованої підготовки та обробки вхідної, проміжної та вихідної інформації. Мета, задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації сформульовані самостійно, текст дисертації і автореферату викладений автором особисто.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 наукових праць, у тому числі 8 в фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, містить 151 сторінку машинописного тексту, в тому числі 2 таблиці і 45 ілюстрацій, загальний обсяг - 204 сторінки зі списком використаних джерел із 165 найменувань та трьома додатками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень та розробок, сформульовані мета та ідея роботи, визначені об'єкт, предмет та методи досліджень, викладені наукові положення, їх новизна та достовірність, наукове та практичне значення, рівень реалізації отриманих результатів, структура роботи.

У першому розділі розглянуто особливості забезпечення стійкості відслонень породного масиву, ґрунтів в складних умовах техногенного формування підземних вод, методів геофізичного контролю властивостей і гідрогеологічних параметрів порід та виконано аналіз розрахункових методів оцінки їх стану. Показано, що сучасні програми, які реалізують метод скінченних елементів, дозволяють зіставити напруження з міцнісними властивостями порід, дослідити умови рівноваги системи. Якщо врахувати час розвитку дії геомеханічних процесів, то такі розрахунки можна вважати за розрахунки в режимі реального часу. Значний вклад в розробку наближених розрахункових методів, обґрунтування їх використання в гірничій справі внесли провідні наукові установи України та ближнього зарубіжжя: НГУ, УкрНДМІ, ДонДТУ, ДонФТІ, КТУ, ІГТМ, МакНДІ, ВНДМІ, МДГУ, ІГС ім. Скочинського та інші. Але впровадження їх в практику стримується відсутністю засобів оперативного та автоматизованого збору, введення і обробки інформації, уніфікованих розрахункових схем та апробованих методик експрес-оцінки напружено-деформованого стану породного масиву навколо геотехнічних об'єктів.

У другому розділі розглянуто методичні особливості визначення, оцінки і урахування геофізичної та геомеханічної інформації. Обґрунтовано використання середніх показників фізико-механічних властивостей гірських порід з урахуванням зміни їх гірничо-геологічних умов залягання, глибини, стадії метаморфізму і, в першу чергу, коефіцієнтів варіації, що характеризують середній розкид даних. Коефіцієнти варіації запропоновано враховувати методикою, яка обумовлює розрахунок навантаження при критичних параметрах. Такий підхід має ту перевагу, що дозволяє врахувати коефіцієнти варіації з явно гіршими умовами по максимальних та мінімальних значеннях параметрів, навіть при незадовільному представництві відібраних проб. Водночас розрахункові моделі у сукупності гарантовано відображають зміну стану реального масиву, для чого лише необхідно передбачити конкретну відповідність цих моделей проміжкам реального часу, що оперативно визначається за допомогою геофізичного моніторингу, зокрема електрометрії.

Елементи методики електрометричного контролю відпрацьовані при комплексному геофізичному дослідженні деформаційних та геофільтраційних процесів навколо вертикальних стволів, підготовчих та очисних виробок в різних районах Донбасу, на рудниках ВО "Полімінерал" (рис. 1), а також при контролі гідротехнічних споруд, зокрема, на Іванівському груповому водопроводі. Об'єкти дослідження відрізняються різноманітністю умов і, в той же час, доступністю для проведення експериментів. На рис. 2 приведено приклад вимірювання електричного опору порід навколо мостової опори.

Виконано аналіз міцнісних та деформаційних властивостей порід, розглянуто особливості фільтрації води, які полягають у тому, що в осадочних породах з високою густиною це явище виникне лише тоді, коли величина градієнта напору води більша його початкового значення, тому вплив техногенної тріщинуватості є домінуючим фактором зміни природних фільтраційних процесів.

Відомо, що при навантаженнях менших (0,7-0,9) у 50 % пісковиків та 30-35 % алевролітів спостерігається лінійна залежність між напруженнями і деформаціями, а приблизно 35-45 % пісковиків, 50-60 % алевролітів та 55-65 % аргілітів деформуються з малим відхиленням від лінійності вже при напруженнях (0,3-0,4), кут нахилу кривих збільшується для кожного наступного циклу навантаження, але для апроксимуючих прямих, які з'єднують початок і кінець гілок розвантаження, залишається приблизно постійним, що враховано при побудові математичних моделей.

Встановлено, що вологість ґрунту при довгостроковому підтопленні змінюється за гіперболічною залежністю від глибини ():

, (1)

при середньоквадратичній похибці %, а зміна густини ґрунту - за параболічною:

, (2)

при середньоквадратичній похибці т/м³, що свідчить про наявність осідання ґрунту.

Зниження міцності водонасичених порід в залежності від їх міцності в природному стані для пісковиків та вапняків відбувається за кореляційною залежністю:

МПа (3)

при коефіцієнті кореляції ; середньоквадратичній похибці МПа.

Експериментально доказано, що глинисті породи розмокають повністю, якщо значення їх міцності у масиві досягає залишкової для зруйнованих порід у зоні стиску , тоді узагальнена кореляційна залежність приймає вигляд:

, МПа (4)

при коефіцієнті кореляції; середньоквадратичній похибці МПа.

Відомо, що електричний опір мінералів, з яких складається ґрунт або порода, значно більший, чим опір розчину, тому загальний опір визначається наявністю води. Встановлено, оскільки рівень води визначається депресійною кривою, яка відрізняється безперервністю та плавною зміною, то на кривих електропрофілювання або вертикального електричного зондування вплив зміни рівня ґрунтової або шахтної води більш плавний, чим різка зміна електроопору при перетині вимірювальною лінією тріщин у породі. Тріщинуватість розриває цільність масиву, тому тріщини виділяються різкою зміною позірного електричного опору. Місце розташування тріщин відносно контуру виробок залишається незмінним, а при зростанні навантажень зростає розшарування і змінюється електроопір, але практично не змінюється розташування піків (рис. 1).

Графіки зміни позірного електричного опору при аварійних підтопленнях на водосховищах добре апроксимуються параболічними залежностями:

до наповнення водою відстійника:

; (5)

після наповнення:

, (6)

де - лінійна відстань, м.

Третій розділ присвячено удосконаленню методів та засобів обробки геомеханічної та геофізичної інформації за допомогою персональної ЕОМ. Підготовка вихідної інформації достатньо трудомісткий процес, який потребує безліч простих обчислень, побудов та перевірок. Кожна конкретна геомеханічна задача потребує побудови нової схеми (моделі), оскільки до цього часу були відсутні прості уніфіковані схеми, які дозволяють вирішити широкий клас гірничих задач стійкості виробок з можливістю зміни їх вихідних гірничо-геологічних умов і режимів навантаження. Для введення аналогових сигналів складної форми в ЕОМ запропоновано використовувати звукову карту загального призначення. Наступним етапом вивчення є спектральний аналіз сигналу. У випадку, коли контроль і моніторинг параметрів фізичних та технологічних процесів виконувався аналоговими приладами, то для введення сигналів спочатку використовується сканування.

Вирішення конкретної задачі оцінки стійкості підземної споруди передбачає дотримання геометричних і фізичних критеріїв подібності по відношенню до реального об'єкту. Геометрична подібність визначається вибраним масштабом моделювання, фізична подібність забезпечується завданням масиву порід реальних фізико-механічних властивостей з врахуванням його водопроникливості та розмокаємості. Розроблено універсальні розрахункові схеми симетричної та асиметричної структури. Схеми відрізняються видимою простотою, але вони дозволяють розв'язати досить широкий діапазон зовсім різних гірничих задач - від роботи самої простої окремої виробки (штреку) до очисної виробки (лави). Цей ефект досягається за рахунок їх побудови. Нижня пасивна частина моделі призначена для вирівнювання навантаження. Значна кількість горизонтальних шарів дозволяє моделювати основні і безпосередні стелини і підошви, всякі прошарки, при цьому зберігається простота моделі, а геометрична подібність підтримується зміною тільки товщини прошарку, що значно простіше ніж побудова нової моделі. Можливі також незначні додаткові розбиття необхідних зон моделі. Бокові розбивки протилежно спрямовані, що дозволяє вирівняти навантаження і створити початкове рівномірне поле напружень в центрі моделі. Зміна товщини шарів у вертикальному напрямку дозволяє моделювати різні типи кріплення, варіанти спряжень, геологічні складки і цілики.

Асиметрична модель являє собою багатошаровий масив, в якому розташовані три порожнини. Масив, цілики і порожнини мають різну щільність розбивки із згущенням сітки елементів в місцях очікуваних високих градієнтів напружень, що дозволяє вирішувати достатньо широке коло геомеханічних задач оцінки стійкості зближених і сполучених виробок, камер (рис. 3), рудного двору, дослідити різного виду цілики. Можливість зміни будь-якого лінійного розміру в розрахунковій схемі дозволяє урахувати вплив конфігурації порожнини, технології відроблення родовищ. Ділянка моделі з мінімальною розбивкою елементів дозволяє імітувати зволожені зони, карсти, пустоти, тектоніку і раніше відпрацьовані ділянки масиву.

Розроблена програма автоматизованої підготовки розрахункових схем із заздалегідь вибраними параметрами і можливістю зміни як кількості, так і форми трикутних елементів в горизонтальному і вертикальному напрямках (рис. 4), що дає можливість змоделювати похиле і круте падіння гірських порід і, незважаючи на складність конфігурації і неможливість підбору зручної універсальної розрахункової схеми, одержати багатоваріантні результати прийнятих рішень.

Різним скінченно-елементним розрахунковим схемам властиві елементи суб'єктивізму, випадковості та розрахункової похибки, які пов'язані з багатоваріантністю можливостей розбивки схеми, похибками оцінки гірничо-геологічних умов, визначення фізико-механічних властивостей порід та самого принципу наближеного розрахунку, тому необхідна додаткова статистична обробка проміжної та вихідної інформації для об'єктивної оцінки взаємозв'язку між різними параметрами. В зв'язку з цим розроблена і апробована методика та створена програма додаткової автоматизованої статистичної обробки проміжної і вихідної інформації як взагалі по моделі, так і у визначених перетинах або напрямках.

Імпорт проміжних і вихідних даних в сервісні додатки здійснюється наступним способом. У вихідному файлі, сформованому у результаті розрахунків програмою реалізації процедури МСЕ, виділяються необхідні дані (майже до 100 %), які треба перемістити, і копіюються в буфер обміну даними операційної системи Windows. Підготовлені дані завантажуються в оболонку для обробки електронних таблиць Excel у вигляді двомірних масивів чисел. Для побудови кореляційних моделей в Excel виділяються попарно стовпці даних, які вміщають значення кореляційних параметрів. Кожна пара стовпців повинна мати однакову кількість даних, а кожний стовпчик заноситься до окремого файлу, якому присвоюється адреса (найменування). Стовпці даних створюються в залежності від поставленої задачі поелементно в горизонтальному, вертикальному чи будь-якому довільному напрямку по визначеній літології гірських порід, зонально (наприклад, вздовж чи поперек утвореної зони тріщинуватості), готовими стовпцями вихідних даних чи їх частинами, вибірково через одне, два і т.д. вихідних значень. За умови, що розрахунки виконуються на одній і тій же математичній універсальній моделі в різних гірничо-геологічних умовах, вибір даних може проводитись за раніше підготовленою структурою майже до повної автоматизації. Потім здійснюється автоматизована статистична обробка та аналіз інформації у програмі в наближених розрахункових схемах безперервного циклу математичного моделювання, який запропонований, обґрунтований і апробований вперше автором. Програма Su-Stat дозволяє автоматично вираховувати основні статистичні характеристики масивів випадкових чисел, будувати гістограми розподілу випадкових величин, лінійну і нелінійні (параболічну, гіперболічну, степеневу і експоненціальну) регресивні моделі з оцінкою їх коректності при дослідженні об'єктів гірничотехнічного профілю.

У четвертому розділі розглянуті методичні особливості застосування уніфікованих розрахункових схем оцінки стійкості породного масиву навколо геотехнічних об'єктів методом скінченних елементів. Великі можливості у плані дослідження фізичних процесів руйнування та можливих граничних геотехнічних ситуацій дає пружнопластична модель середовища зі знеміцненням порід за межею міцності. В складних гірничо-геологічних умовах розрахунки напружено-деформованого стану виконуються шляхом розв'язання нелінійних задач на основі поєднання методу скінченних елементів з методом початкових напружень, що дозволяє розглянути трансверсально-ізотропну область довільної конфігурації. Із результатів досліджень визначаються по елементах і вузлах: стан елемента (елемент деформується пружно, пластично або порваний хоча б в одному напрямку); головні напруження , та кут між напрямком і віссю ; головні деформації , ; теоретичні значення головних напружень і ; переміщення кожного вузла в напрямку осей і ; вузлові сили з урахуванням сили ваги, в тому числі у вузлах із заданими переміщеннями. При необхідності визначаються осьові значення напружень , , дотичні напруження та деформації , , .

Проведені дослідження та зіставлення розрахункових, суто аналітичних та експериментальних досліджень напружено-деформованого стану навколо підготовчих виробок (окремих, зближених), елементів камерно-стовпової системи розробки гіпсових пластів (рис. 5), очисних вибоїв вугільних шахт (рис. 6), які залягають в слабких водонасичених гірських породах, при різних величинах заданих напружень та міцнісних параметрів, які змінюються аналогічно реальним шаровим структурам.

Для врахування тріщинуватості в наближених розрахункових методах навантаження математичної моделі необхідно проводити впритул до руйнування елементів, цим методом уже частково враховується тріщинуватість, оскільки при цьому буде установлено зони народження первинних техногенних тріщин. Другий метод врахування тріщинуватості - закладання в модель параметрів залишкової міцності, яка визначається в режимі позаграничного навантаження.

За рахунок підвищення навантажень та зниження міцнісних властивостей математична модель досліджуваних конструкцій доводилась до повного руйнування, що дозволило виконати прогноз розвитку зони непружних деформацій у часі, визначити області фільтрації води і врахувати втрату міцності порід при водонасиченні.

Врахування гідрогеологічних умов проводиться як на стадії постановки задачі, так і в процесі її вирішення. На стадії постановки задачі задаються гідростатичні сили, які підсумовують для кожного елемента. Вказані сили замінюються еквівалентними контурними силами. Окрім силової дії, підземні води спричиняють значне зниження міцності глинистих порід.

Методика експрес-оцінки передбачає вирішення задач фільтрації з застосуванням МСЕ в два етапи: спочатку необхідно визначити зони зруйнованих елементів, а потім зробити розрахунки можливих водопритоків.

Аналіз зон руйнування дозволяє оцінити шляхи фільтрації водних потоків та об'єми можливих водопритоків, включаючи об'єми водоносних пластів та зон накопичення води. Об'єми води вираховуються за сумарною площею зруйнованих елементів та за середнім для зони коефіцієнтом розпушення або об'ємної пористості гірських порід. Будемо вважати, що зони підвищеної фільтрації складаються із зруйнованих елементів. Якщо провести розрахунки зруйнованих зон кількох перетинів, то передбачуваний об'єм накопичення води рівний добутку об'єму зони фільтрації на коефіцієнт, що характеризує величину відкритої пористості та тріщинуватості:

, (7)

де та - об'єми води і водонасиченої зони; - коефіцієнт відкритої пористості; - довжина зони, - площа зони зруйнованих трикутників, яка визначається за координатами вузлів.

В результаті розв'язання задач визначаються: розташування та об'єм зон порушення, які виникли при проведенні гірничих робіт; розташування техногенних тріщин та їх поширення; можливі області обводнення і прориву води. У відповідності з одержаними результатами по визначенню зон порушення породного масиву водні потоки доцільно розраховувати за відомими методиками та керівними документами.

6. Апробація методики експрес-оцінки напружено-деформованого стану породного масиву, що проведена для підготовчих виробок (окремих, зближених), очисних забоїв вугільних шахт, елементів камерно-стовпової системи розробки гіпсових пластів, які залягають в слабих водонасичених гірських породах, показала, що вона дає достовірні результати і дозволяє дослідити вплив геомеханічних факторів на стійкість геотехнічних споруд.

7. Елементи методики використані в галузевому керівному документі "Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь - породный массив" вертикальных стволов" та посібнику "Методическое пособие по комплексной геофизической диагностике породного массива и подземных геотехнических систем".

8. Отримані результати використано для промислового впровадження рекомендацій, де дольова участь автора у фактичному економічному ефекті складає 30 тис. грн. та 153 тис. руб.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Слащева Е.А. К методике учета гидрогеологических факторов при решении геомеханических задач устойчивости породного массива // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 1997. - № 3. - С. 167-170.

2. Слащева Е.А. Исследования напряженно-деформированного состояния элементов камерно-столбовой системы разработки в слабых горных породах // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 1998. - № 8. - С. 43-47.

3. Электрометрический контроль пространственно-временной изменчивости литосферы вблизи геомеханических объектов / Т.А. Паламарчук, В.А. Земба, В.Н. Сергиенко, Е.А. Слащева // ХХI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. НГАУ. - Днепропетровск: НГАУ, 1998. - № 3. - Т. 5. - С. 168-171.

4. Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь - породный массив" вертикальных стволов. Дополнение к "Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД 12.18.073-88" / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, В.Н. Сергиенко, Т.А. Паламарчук, С. И. Скипочка, В.Б. Усаченко, Алекс. А. Яланский, Е.А. Слащева, И.Г. Косков, А.В. Будник, В.В. Левит. - Донецк: ООО "Лебедь", 1999. - 42 с.

5. Бородай В.А., Яланский Алекс. А., Слащева Е.А. Ввод переменных аналоговых сигналов звукового диапазона частот в память персональной ЭВМ // Гірнича електромеханіка та автоматика. - Дніпропетровськ: РВК НГА України. - 1999. - №3 (62). - С. 68-73.

6. Усаченко Б.М., Паламарчук Т.А., Слащева Е.А. Исследование синергетических и волновых процессов в массиве горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2000. - №8. - С. 182-184.

7. Кохан П.С., Слащева Е.А., Арестов В.В. Ввод и обработка горно-геологической и горнотехнической информации при решении геомеханических задач на персональной ЭВМ // Геотехническая механика № 29. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2001. - С. 42-46.

8. Слащева Е.А., Яланский Алекс. А. Автоматизированная статистическая обработка промежуточной и выходной информации программы "Геомеханика" на основе персональной ЭВМ // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2002. - № 40. - С. 102-105.

9. Слащева Е.А. Разработка экпресс-методики прогноза устойчивости геоматериалов по изменению их электропроводящих свойств под воздействием гидрогеологических факторов // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2003. - № 42. - С. 143-148.

10. Яланський О.А., Арестов В.В., Слащова О.А. Універсальний мікропроцесорний пристрій автоматизованої оцінки геомеханічного стану системи "кріплення-породний масив" підземних виробок на основі геофізичних методів контролю // 7 Міжнародна конференція "Контроль і управління в складних системах (КУСС-2003). - Вінниця: УНІВЕРСУМ, 2003. - С. 150.

11. Слащева Е.А. Особенности ввода и обработки исходной информации при решении геомеханических задач с помощью персональных ЭВМ // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2004. - № 51. - С. 296-304.

12. Методическое пособие по комплексной геофизической диагностике породного массива и подземных геотехнических систем / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук, С. И. Скипочка, В.Г. Перепелица, М.А. Ильяшов, В.В. Левит, Л.В. Байсаров, В.В. Гамаюнов, В.П. Друцко, В.Н. Сергиенко, В.Я. Кириченко, С. П. Мусиенко, В.И. Соколовский, В.Б. Усаченко, В.А. Амелин, С. В. Борщевский, А.В. Ведмедев, Р.Б. Лесовицкая, В.В. Арестов, М.П. Крюков, Е.А. Слащева, М.С. Зайцев. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. - 75 с.

13. Усаченко Б.М., Слащева Е.А. Исследование и экспресс-оценка фильтрационных процессов в трещиноватых массивах // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. - № 59. - С. 34-44.

Получены корреляционные зависимости снижения прочности осадочных пород при водонасыщении, изменения влажности и плотности грунта от глубины при влагонасыщении. Определён характер влияния влажности и трещиноватости горных пород на их электропроводимость.

В работе обосновано использование для экспресс-оценки напряженно-деформированного состояния породного массива средних показателей собранного банка физико-механических свойств горных пород с учетом горно-геологических условий и коэффициентов вариации. Коэффициенты вариации учитываются методикой, которая предусматривает расчет геомеханической модели для заведомо худших условий.

Разработаны универсальные расчетные схемы слоистой структуры, которые позволяют оперативно исследовать геомеханические модели путем частичного нагружения и фиксации разрушения при переходе от предшествующей к следующей стадии деформационного процесса с уточнением характера последствий на основе оперативного геофизического контроля. Разработан комплекс автоматизированного ввода и обработки информации при расчетах методом конечных элементов, позволяющий сравнить многовариантные результаты принятых решений в режиме реального времени. Разработаны алгоритмы дополнительной статистической обработки информации по ходу решения задачи о распределении напряжений в массиве.

Получены аналитические зависимости расчета накопления или высвобождения возможных объемов воды в зонах разрушения, учитывающие особенности ее фильтрации в плотных осадочных горных породах и позволяющие определить объем накопления воды в зоне водонасыщения с учетом коэффициента, который характеризует величину открытой пористости и трещиноватости.

Апробация методики экспресс-оценки напряженно-деформированного состояния породного массива проведена для подготовительных и очистных выработок угольных шахт, камерно-столбовой системы разработки гипсовых пластов, сходимость расчетных и экспериментальных результатов достаточная для инженерных расчетов.