Наукові основи забезпечення надійності функціонування очисного вибою як керуємого геомеханічного об’єкту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622. 831: 622.23.004.15

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.15.09 - Геотехнічна та гірнича механіка

Наукові основи забезпечення надійності функціонування очисного вибою як керуємого геомеханічного об'єкту

Мещанінов Сергій Кармінович

Дніпропетровськ - 2009

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі будівництва та геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шашенко Олександр Миколайович, завідувач кафедри будівництва та геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сдвижкова Олена Олександрівна, завідувач кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ) доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України доктор технічних наук, доцент Борщевський Сергій Васильович, професор кафедри будівництва шахт та підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "5" червня 2009 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 з захисту дисертацій у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий "5" травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. У теперішній час досвід роботи передових вітчизняних та закордонних вугільних шахт свідчить про те, що одним з раціональніших шляхів подальшого розвитку вугледобувної галузі є використання високонавантажених лав. Їх експлуатація характеризується використанням технологічного обладнання приконтурної області масиву та прилеглих виробок з високим значенням коефіцієнта готовності. У сприятливих гірничо-геологічних умовах такі лави здатні щомісячно видобувати понад 100 тис т вугілля. Високій рівень травматизму відзначається в очисних вибоях через обвалення порід внаслідок підвищеного та непередбаченого прояву гірського тиску при суттєво збільшених швидкостях посування лав. Досить важливим на газонасичених вугільних пластах є також газовий фактор, який обмежує зростання навантажень на лаву. Конструкції механізованих кріплень лав та їх спряжень зі штреками, а також охоронні конструкції в процесі роботи є досить навантаженими, що нерідко призводить до їх руйнування, травмування гірників; у зв'язку с цим, до психофізіологічних та професійних якостей працюючих в очисному вибої ставляться спеціальні вимоги.

Таким чином, однією з проблем, що впливає на ефективну роботу високонавантажених лав на сьогоднішній день є відсутність достатніх знань про геомеханічні процеси в приконтурній області масиву, що вміщує очисний вибій. Це пов'язано з тим, що очисний вибій характеризується непостійністю розташування в часі та просторі, структурною неоднорідністю геологічного середовища, що, в свою чергу, створює невизначеність геомеханічної інформації за фактором «стійкість приконтурної області». Тому, досить актуальною є розробка методичного забезпечення геомеханічного прогнозу й керування рівнем промислової безпеки очисного вибою, в основу роботи якої входило б використання комплексної системи контролю та керування - системи нового технічного рівня.

В Україні зараз економічні втрати через аварії у вугільних шахтах складають майже чверть від вартості видобутого вугілля. Все ще високий рівень травматизму і смертельних випадків. Причини неадекватно низької продуктивності високонавантаженої лави, насиченої сучасним високопродуктивним устаткуванням нового технічного рівня і високим рівнем травматизму, а також різного роду відмов устаткування, як правило, полягають у невідповідності її організаційно-технічного рівня розвитку системи контрольно-керуючих зв'язків між елементами і підсистемами. Таку функцію повинна виконувати комплексна система контролю і керування, яка б дозволила здійснювати своєчасний і оперативний прогноз зміни стану і умов функціонування очисного вибою як керованого геомеханічного об'єкту. Для створення комплексної системи контролю й керування необхідні розробка її структури, основних вимог і обґрунтування набору інформативних параметрів для здійснення адекватних функцій контролю і прогнозу, а також моделювання очисного вибою як керуємого геомеханічного об'єкту і його взаємодії з комплексною системою контролю й керування.

Таким чином, створення наукових основ забезпечення надійності функціонування очисного вибою на основі знання геомеханічних закономірностей поведінки системи «очисний вибій-вміщуючі породи» є актуальною науковою проблемою, яка має важливе народногосподарське, соціальне і прикладне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Дисертація виконана відповідно до програм науково-дослідних робіт ІГТМ НАН України: держбюджетних тем № 44 «Розробити наукові основи видобутку вугілля і газу шляхом використання внутрішньої енергії гірського масиву з метою створення безпечних і малоенергоємних технологій», № держреєстрації: 0199U001753; №45 «Розробити фізико-технічні основи використання енергії гірського тиску управлінням стану масиву на межі руйнування», № держреєстрації 0199U001751; госпрозрахункової теми 7-21-0910202000-191 «Розробка засобів і систем автоматизації і комп'ютеризації технологічних процесів і устаткування вугледобувних і інших підприємств, управління виробництвом на всіх рівнях, а також засобів і систем зв'язку», яка проводилась під час спільної роботи інституту «Автоматгірмаш ім. В.А. Антипова» і ІГТМ НАН України при підготовці технічного завдання на «Систему дистанційного керування з безпечної відстані для очисних машин і комплексів, що забезпечує їх роботу в умовах викидонебезпечності» в 2002 р. у рамках програми «Розробка засобів і систем автоматизації і комп'ютеризації технологічних процесів і устаткування вугледобувних і інших підприємств, управління виробництвом на всіх рівнях, а також засобів і систем зв'язку»; і в Національному гірничому університеті при виконанні госпдоговірної теми НДІ гірничих проблем Академії інженерних наук України АД - 262 «Аналіз технічних і організаційних рішень по відпрацюванню виїмкових стовпів понад 700 м щодо забезпечення порятунку людей і безпечного виконання робіт рятувальників в умовах шахт Західного Донбасу».

Мета роботи полягає у створенні наукових основ забезпечення надійності функціонування очисного вибою як керованої геомеханічної системи.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні завдання:

1. Оцінити перспективи та стратегії розвитку вуглевидобувної галузі України. Виконати аналіз проблеми забезпечення надійності функціонування очисних вибоїв шахт України.

2. Виконати аналітичні дослідження процесу руйнування гірських порід на основі термодинамічного підходу.

3. Виконати лабораторні та натурні дослідження закономірностей протікання геомеханічних процесів у породному масиві при очисних роботах.

4. Виконати дослідження геомеханічних процесів зміни стійкості приконтурної області масиву, що містить очисний вибій, з використанням методу скінчених елементів і ентропійно-інтегрального критерія.

5. Виконати аналіз ефективності існуючих елементів систем контролю та сформулювати основні вимоги до комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою.

6. Обґрунтувати набір інформативних параметрів комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою.

7. Виконати моделювання очисного вибою як керуємого геомеханічного об'єкту.

Основна ідея роботи полягає у використанні термодинамічного підходу до аналізу надійності функціонування очисного вибою як керуємого геомеханічного об'єкту.

Об'єктом досліджень є геомеханічні та термодинамічні процеси, що протікають в приконтурній області масиву при веденні очисних робіт.

Предметом досліджень є підсистеми очисного вибою та їх елементи, системи контролю й керування надійністю його функціонування.

Методи досліджень. Теоретичний аналіз, методи термодинаміки необоротних процесів, кінетичної теорії міцності; лабораторні дослідження зразків гірських порід і шахтні дослідження поведінки породного масиву і робочого простору лави; системний підхід до обґрунтування комплексу відомих і нових приладів, методів вимірювань і устаткування систем контролю стосовно технологій ведення очисних робіт,

методи прикладного комп'ютерного моделювання комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Приріст ентропії порід приконтурної області масиву є інтегральним параметром, що характеризує їх напружено-деформований стан, знаходиться в лінійній залежності від об'єму порід, що відбиваються, коефіцієнта Пуассона, еквівалентного напруження, зміни внутрішньої енергії і в обернено пропорційній залежності від модуля Юнга і температури порід, що дозволяє прогнозувати виникнення критичних деформацій породного масиву.

2. Відношення натурального логарифма від частки критичного значення ентропії порід приконтурної області масиву та її початкового значення до швидкості зміни ентропії дозволяє визначати стійкість приконтурної області масиву за зміною величини ентропії порід приконтурної області й оцінити тривалість збереження її стійкості.

3. Відношення натурального логарифма від величини оберненого тангенсу кута діелектричних втрат або відносної діелектричної проникності породи до швидкості їх зміни в процесі руйнування гірської породи пропорційні ентропії і дають можливість визначати стан порід приконтурної області.

4. Зміна ентропії порід покрівлі очисної виробки знаходиться в експоненціальній залежності від величини кроку первинного і сталого обвалення; при цьому швидкість зміни ентропії порід покрівлі очисної виробки зменшується із зростанням швидкості посування лави, що дозволяє за цим чинником прогнозувати акт первинного або сталого обвалення.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена коректністю прийнятих підходів і вихідних даних, які ґрунтуються на застосуванні комплексного методу досліджень функціонування очисного вибою, як основної виробничої одиниці вугільної шахти і системного підходу до обґрунтування методології контролю й керування надійністю його функціонування, фундаментальних положеннях термодинаміки необоротних процесів, теорії управління, теорії надійності і моделювань, а також достатнім обсягом даних і аналізом їх методами теорії ймовірності та математичної статистики з довірчою ймовірністю не нижче 0,9; позитивними результатами впровадження розробок у виробництво.

Наукове значення одержаних результатів:

1. Вперше дано наукове обґрунтування нового підходу до вирішення комплексної проблеми забезпечення надійності й ефективності функціонування очисного вибою, як основної виробничої одиниці сучасної вугільної шахти. В основу підходу покладено уявлення про очисний вибій як складну технічну систему типу «людина - машина - середовище».

2. Встановлений взаємозв'язок між ентропією порід приконтурної області масиву, що вміщуює очисний вибій, і його стійкістю. Результати проведених досліджень покладені в основу наукового відкриття «Закономерность изменения устойчивости породных обнажений при периодических нагрузках», зареєстрованого в 2000 р. (диплом № 151).

3. Вперше показано, що надійність функціонування очисного вибою визначається множиною ймовірностей надійної роботи по групах чинників: «газовому», «стійкості приконтурної області», «роботи технологічного устаткування» і «людському».

4. Вперше встановлена залежність стійкості покрівлі очисного вибою від величини ентропії порід приконтурної області. Сформульовані локальний, інтегральний і ентропійно-інтегральний критерії руйнування елемента гірської породи і ділянки породного масиву, що містить очисну виробку.

5. Вперше розроблені структурна, математична та оптимізаційна моделі надійності функціонування очисного вибою й імітаційна комп'ютерна модель комплексної системи контролю й керування.

Практичне значення роботи:

1. Для аналізу техніко-економічного стану очисного вибою отримана умова його надійного функціонування і запропонована математична модель роботи комплексної системи контролю й керування.

2. Розроблена структурна модель комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою, який, як основна виробнича одиниця сучасної вугільної шахти, на відміну від аналогічних виробничих систем в інших галузях промисловості, характеризується значною невизначеністю робочих місць, що викликано відсутністю достовірних даних про властивості та стан породного масиву і технологічного устаткування (чинники стійкості приконтурної області і роботи технологічного устаткування); атмосфери робочого простору лави (газовий чинник); поведінки обслуговуючого персоналу (людський чинник).

3. Розроблена імітаційна комп'ютерна модель комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою, яка може бути використана для створення системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою для конкретної вугільної шахти.

4. Розроблена «Методика визначення ентропії зразків гірських порід в лабораторних умовах».

5. Розроблені «Технічні вимоги щодо створення технологічного устаткування очисних вибоїв з використанням комплексної системи контролю й керування надійністю його функціонування».

Реалізація результатів досліджень.

Результати дисертаційної роботи використані інститутом «Дондіпровуглемаш» у вигляді «Технічних вимог до створення технологічного устаткування очисних вибоїв з використанням комплексної системи контролю й керування надійністю його функціонування», Національним гірничим університетом у вигляді «Методики визначення ентропії зразків гірських порід в лабораторних умовах», та інститутом «Автоматгірмаш ім. В.А. Антипова».

Особистий внесок здобувача: Автором сформульовані мета, ідея, задачі, вибрані методи досліджень, обґрунтовані науково-технічні і методологічні основи забезпечення надійності функціонування очисного вибою. Основні наукові результати, висновки і рекомендації отримані і сформульовані автором самостійно.

Апробація результатів досліджень. Основні наукові положення роботи і її окремих розділів докладалися і отримали схвалення на 5-му Польсько-Українському семінарі з механіки матеріалів і конструкцій (Дніпропетровськ, 1997); 10-й науковій школі «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, 2000); Міжнародному симпозіумі з гірничої справи і освоєнню підземних просторів (Дніпропетровськ, 2001), 3-й Промисловій конференції і виставці з міжнародною участю «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Славське, 2003), Українсько-Польському форумі гірників (Ялта, 2004), науково-технічній конференції «Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли (Макеевка, 2004), міжнародному симпозіумі «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2008), Форумі гірників - 2005 (Дніпропетровськ, 2005), міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (Кривий Ріг, 2006, 2007), міжнародній науково-технічній конференції «Школа підземної розробки» (Ялта, 2007), міжнародній науково-технічній конференції «Геотехнологии и управление производством XXI века» (Донецьк, 2008), міжнародному колоквіумі ім. М.М. Протодьяконова «Проблеми геомеханіки, руйнування і міцності гірських порід» (Дніпропетровськ, 2008).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 35 наукових роботах, у тому числі: 1 - монографія, 25 - у фахових виданнях, 1 - патент України на винахід, 7 - у матеріалах науково-технічних конференцій, 1 - наукове відкриття, 15 робіт опубліковано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновку, списку використаних джерел з 260 найменувань на 25 сторінках і чотирьох додатків на 6 сторінках. Містить 264 сторінки машинописного тексту, 74 рисунка і 10 таблиць. Загальний обсяг 319 сторінок.

Основний зміст роботи

Досвід роботи передових вітчизняних і зарубіжних вугільних шахт показує, що якнайкращих результатів з підвищення надійності ведення очисних робіт можна досягти шляхом створення автоматизованих систем контролю і прогнозу геомеханічної ситуації - комплексних систем контролю й керування, дія яких заснована на геомеханічному моніторингу стану ділянки породного масиву, що містить очисну виробку. Взаємодія комплексної системи контролю й керування з очисним вибоєм.

Природнім продовженням розвинутих на цей час аналітичних, чисельних та експериментальних методів контролю, керування та прогнозу стану приконтурної області масиву повинен стати комплексний підхід, що базується на використанні ентропії як комплексного інтегрального інформативного параметра - ентропії. Метою досліджень є розробка нового наукового підходу до вирішення важливої наукової проблеми - створення наукових основ забезпечення надійності функціонування очисного вибою на основі знання геомеханічних закономірностей поведінки системи «очисний вибій - вміщуючі породи».

Очисну виробку можна розглядати як складну технічну систему, стан якої визначається низкою підсистем, таких як технологічне устаткування, шахтна атмосфера, підземні робітники, які знаходяться в штучно створеній порожнині (виробці), що обмежена приконтурною областю масиву, яка є ще однією підсистемою. Всі ці підсистеми функціонують за схемою послідовно сполучених елементів. Підсистема «приконтурна область» повністю визначає надійність функціонування всієї решти підсистем і в той же час є залежною від них.

Класифікація підходів, що дозволяє описувати геомеханічні процеси в породному масиві.

Останні дослідження в області моделювання породного масиву і технологічних процесів представлені в роботах С.В. Борщевського, А.Ф. Булата, В.В. Виноградова, В.Н. Вилегжаніна, Д.Д. Глазова, П.В. Єгорова, В.В. Назимка, В.Д. Петренка, О.О. Сдвижкової, О.М. Ставрогіна, О.М. Шашенка й інших вчених.

Основним недоліком даного підходу є складність в досягненні прийнятного рівня відповідності між процесами, що реально мають місце в породному масиві та що відбуваються в моделі.

Методи сучасного геомоніторингу, не дивлячись на можливість отримання і переробки великого обсягу геомеханічної інформації, мають вельми істотний недолік: контроль багатьох параметрів, який він успішно реалізує, малоперспективний. Це пов'язано, в першу чергу, з тим, що при багатопараметровому контролі гранична кількість чинників, яка може бути врахована в моделі і при цьому вона піддається аналізу, не може перевищувати чотирьох.

Використання ентропії як інтегрального параметра, що характеризує геомеханічний стан досліджуваної ділянки породного масиву в поєднанні з методами сучасного геомоніторингу, дозволить істотно підвищити достовірність визначення і прогнозу стану гірничої виробки як складної технічної системи.

Це пояснюється, в першу чергу, свого роду унікальністю ентропії, як параметра, що безпосередньо характеризує ступінь порушеності (пошкодженості) порід, що складають приконтурну область масиву. З другого боку, величина ентропії не може бути визначена шляхом прямих вимірювань. Значний інтерес мають дослідження в даному напрямі, зроблені в роботах С.В. Борщевського, В.Н. Вилегжаніна, П.В. Єгорова, А.М. Зоріна, В.В. Назимка, Б.К. Нореля, В.Д. Петренка, Г.Т. Рубця, О.О. Сдвижкової і інших вчених.

Для прогнозування поведінки гірських порід і можливих масштабів їх руйнування найбільш доцільно використовувати методи вірогідності дослідження з відповідною фізико-статистичною моделлю руйнування. В класичній моделі найслабкішої ланки передбачається, що руйнування елементарного об'єму матеріалу визначається локальною міцністю якнайменше міцного елемента, і нестійкий розвиток однієї тріщини призводить до руйнування всього об'єму. Хоча така модель і є ефективним засобом вирішення деяких практичних задач механіки гірських порід, але в більшості випадків вона обмежена і не відображає фізичної сутності процесів деформації і руйнування гірських порід.

Таким чином, задачі дослідження накопичення пошкоджень в гірській породі можна звести до дослідження моделі гірської породи, відповідно до якої:

1. Гірська порода є неоднорідним стохастично тріщинуватим матеріалом, який складається з великої кількості структурних зв'язків різного ступеня міцності з функцією вірогідності руйнування Р(), за допомогою якої визначається відносна кількість зруйнованих зв'язків при напруженнях, що не перевищують межі міцності.

2. Міцність структурних зв'язків є випадковою величиною, розподіленою за деяким законом.

3. Міцність всієї системи визначається сумою міцностей всіх зв'язків

.

4. В міру руйнування найбільш навантажених зв'язків, навантаження перерозподіляється на менш навантажені зв'язки.

5. Величина межі міцності убуває за нелінійним законом.

6. Інтерес для досліджень має тільки позамежна гілка повної кривої «напруження - деформація».

7. Навантаження зразків необхідно здійснювати в режимі заданих деформацій. очисний виробка надійність геомеханічний

Використовуючи обґрунтований вибір функції вірогідності руйнування, функцію розподілу Седракяна, зроблений Г.Т. Рубцом, був отриманий аналітичний вираз для визначення інформаційної ентропії гірської породи:

, (1)

де і - параметри, які визначаються графічно за повною кривою «напруження - деформація».

Якщо величину прийняти як міру пошкодженості породного відслонення, то зміну пошкодженості при циклічному навантаженні пропонується визначати таким чином:

, (2)

де i - номер циклу навантаження.

Інформаційна ентропія містить інформацію про кількість зруйнованих в гірській породі структурних зв'язків, однак вона не є однозначною характеристикою енергії, що витрачається на руйнування гірської породи.

У зв'язку з цим, становило інтерес визначити значення термодинамічної ентропії гірських порід. У загальному випадку, зміна термодинамічної ентропії складається з двох частин:

, (3)

де при теплообміні й іншій взаємодії із зовнішнім середовищем; для оборотних процесів.

Очевидно, що енергія, витрачена на руйнування зразка гірської породи дорівнює площі області, укладеній між позамежною гілкою кривої «напруження - деформація» і прямою

Таким чином, справедливий наступний вираз:

. (4)

Найзручнішою з погляду правильності аналітичного процесу зниження міцності зразків гірських порід є степенева функція.

Стосовно мети досліджень ця функція має наступний вигляд:

. (5)

Приймаючи величину коефіцієнта залишкової міцності для крихких гірських порід

,

коефіцієнти і із співвідношення (5) можна визначити з умови:

(6)

Із останнього (6) при умові маємо:

; . (7)

Підставляючи отриманий вигляд функції в (6), інтегруючи і підставляючи межі інтегрування, отримуємо вираз для визначення критичного (відповідного руйнуванню) значення ентропії гірської породи:

, (8)

де - температура.

Знак наближеної рівності у виразі (8) поставлений тому, що ми нехтуємо другим доданком, як величиною другого порядку малості.

Взаємозв'язок величини ентропії порід приконтурної області масиву, що містить гірничу виробку, і потенційну енергію їх напружено-деформованого стану, є необхідною і достатньою умовою розробки принципово нових, більш точних методів визначення і прогнозу геомеханічного стану ділянки масиву, що розробляється.

Використовуючи еквівалентне напруження, як величину, що найбільш адекватно характеризує напружено-деформований стан породного масиву, отримуємо аналітичний вираз першого початку термодинаміки у формі, придатній для опису процесу звільнення потенційної енергії напружено-деформованого стану масиву на межі руйнування:

, (9)

де - зміна внутрішньої енергії; і - коефіцієнт Пуассона і модуль Юнга відповідно; - об'єм породи, що відбивається.

Отриманий вираз може бути використаний для визначення міри наближення стану приконтурної області масиву до граничного, тобто для прогнозу виникнення великих деформацій.

Метою досліджень було встановлення взаємозв'язку інформаційної ентропії зразків гірських порід від ступеня їх порушенности.

Методика експерименту полягала в наступному. Зразок навантажувався на жорсткому пресі в режимі заданих деформацій до межі міцності. В ході навантаження фіксувалися значення і . Досягнувши межі міцності зразок починав руйнуватися, що було видно із припинення зростання , тоді навантаження знімали і розпочинали наступний цикл навантаження. Так поступово зразок доводили до руйнування, одночасно фіксуючи значення і кожного циклу. За отриманими даними може бути побудована повна крива «напруження - деформація» і за нею визначена величина інформаційної ентропії гірської породи.

Отримана в дисертаційній роботі експериментальна залежність дозволяє стверджувати, що зміна ентропії гірських порід достовірно і однозначно відображає їх еволюцію, від повністю непошкодженого стану до повністю зруйнованого. Отже, ентропія може бути вибрана як інформативний параметр при оцінюванні стійкості приконтурної області масиву.

Таким чином, ентропія є кількісною узагальненою мірою накопичених в матеріалі пошкоджень.

Критерій тривалої стійкості можна записати у вигляді:

S S_*, (10)

де S_* - значення ентропії в момент, передуючий руйнуванню.

Із залученням кінетичної теорії міцності критерій оцінки стійкості може бути аналітично виражений таким чином:

, (11)

де S₀ - початкове значення ентропії непошкодженої породи; - швидкість росту ентропії.

З (11) може бути знайдений час збереження стійкості приконтурної області масиву:

. (12)

Для обчислення ентропії, яка безпосередньо виміряна бути не може, необхідний контроль механічних характеристик порід, що складають відслонення. В більшості випадків, визначення механічних характеристик гірських порід має певні труднощі. Значною мірою подібні труднощі збільшуються і, як правило, призводять до неможливості проведення випробувань у разі здійснення прогнозу, коли необхідно проводити періодичні виміри в шахтних умовах. В цьому значенні одним з найбільш цікавих напрямів уявляється встановлення взаємозв'язку діелектричних властивостей гірських порід як параметрів їх пошкодженості з ентропією.

Аналогічні результати були отримані і при натурних вимірюваннях діелектричних властивостей гірських порід в покрівлі очисної виробки та їх ентропії. За експериментальними результатами була отримана емпірична формула:

, (13)

де і - швидкості зміни відповідно тангенса кута діелектричних втрат і відносної діелектричної проникності гірської породи, і b - емпіричні параметри,

що характеризують кут нахилу кривих (визначаються фізико-механічними властивостями порід, умовами їх залягання і т.п.).

Експериментальна крива наочно підтверджує відомий факт підвищення в певних гірничо-геологічних умовах стійкості покрівлі виробки при збільшенні швидкості її посування.

Використовуючи положення про те, що ентропія гірської породи є кількісною мірою накопичених нею пошкоджень, руйнування елемента гірської породи і ділянки масиву, що містить очисну виробку, схематично можна зобразити так, як це показано на

В припущенні, що отримаємо наступне співвідношення:

, або . (14)

Вираз (14) має гранично простий сенс, який свідчить, що руйнування відбудеться тоді, коли еквівалентне напруження, котре діє на елемент масиву, буде дорівнювати або більшим межі його міцності на одноосьовий стиск.

Апроксимація цих залежностей показує, що вони описуються експоненціальною функцією:

, (15)

де А - параметр, що характеризує крутість залежності; - інтенсивність зміни міцності гірської породи.

Монотонний характер залежності (15) дозволяє зробити висновок про існування функціональної залежності між межею міцності зразків гірських порід і їх ентропією. У зв'язку з цим справедливий наступний вираз:

. (16)

Враховуючи монотонний характер наведеної графічної залежності та безперервність кривих, повинна бути справедливою й обернена залежність:

. (17)

Тоді вираз (14) може бути переписаний у вигляд:

. (18)

Вираз (18) є локальним ентропійним критерієм руйнування породного масиву (елемента породного масиву).

Переходячи до діелектричних параметрів за допомогою співвідношення (13), вираз (18) матиме вигляд:

(19)

Локальний термодинамічний критерій руйнування, наведений у виразі (19), має вигляд, цілком придатний для практичного застосування, оскільки містить фізичні параметри гірської породи, що реально вимірюються (на відміну від ентропії). Вираз (19) дає принципову можливість оцінювати стійкість елементів породного масиву, які складають приконтурну область на основі даних неруйнівного контролю діелектричних параметрів гірських порід.

Очевидно, що практичний інтерес становить оцінка стійкості ділянки покрівлі очисної виробки у стадії первинного і сталого обвалень. У зв'язку з цим метою подальших досліджень була розробка інтегрального термодинамічного критерію оцінки стійкості покрівлі очисної виробки.

Використаємо інтегральний критерій міцності, запропонований О.М. Шашенком й Н.В. Хозяйкіною:

, (20)

де - кут падіння пласта, - його потужність і - питома вага порід.

За допомогою отриманого раніше виразу (9) для приросту ентропії порід приконтурної області масиву, можна знайти інтегральний критерій руйнування ділянки породного масиву.

Для цього проінтегруємо (9) за об'ємом:

, (21)

де - об'єм елемента породного масиву, що руйнується.

Тільки 10-15% роботи сил, що викликали деформацію гірських порід, переходить в тепло. Враховуючи те, що це знаходиться в межах допустимої похибки при натурних вимірюваннях в порідному масиві, цією частиною роботи сил деформації можна нехтувати.

Скориставшись далі відомим виразом ентропійного критерію руйнування

, (22)

де - час до руйнування, - швидкість зміни ентропії; - критичне значення ентропії, відповідне початку руйнування зразка породи (елемента масиву), і тим, що, , вираз (22) може бути записаний в наступному вигляді:

. (23)

Тоді вираз (21) при розгляді руйнування в об'ємі набуває наступного вигляду:

. (24)

Вираз (24) з урахуванням основних співвідношень теорії повзучості можна записати таким чином:

, (25)

де величини і можуть бути отримані експериментально для кожної гірської породи за спеціальною методикою.

Вираз (25) є інтегральним критерієм руйнування ділянки масиву, що містить очисну виробку. Аналітичний вираз ентропійно-інтегрального критерію руйнування гірських порід, отриманий в результаті об'єднання методу скінчених елементів і інтегрального термодинамічного критерію має наступний вигляд:

, (26)

де - критичне значення ентропії, відповідне руйнуванню гірської породи; - об'єм гірської породи, для якого визначається величина ентропії; - еквівалентне

напруження (); - розмір структурних елементів породного масиву, в яких відбуваються елементарні акти руйнування (в припущенні, що всі елементарні елементи породного масиву мають кубічну форму, причому між ними немає будь-яких пустот, включень і т.п., тобто вони прилягають один до одного практично ідеально). В наших дослідженнях під розміром приймалися розміри стандартного зразка гірської породи для випробувань на пресі на стиснення = 0,05 м; - кількість зруйнованих елементів ділянки породного масиву.

Після інтегрування воно матиме вигляд:

. (27)

Відповідно, для довільного моменту часу, (27) виглядатиме таким чином:

, (28)

де - поточне значення ентропії, відповідне деякій поточній кількості зруйнованих елементів у породному масиві.

З цього виразу виходить, що величина ентропії ділянки породного масиву, що містить очисну виробку, знаходиться в лінійній залежності від кількості зруйнованих елементів.

Початок різкого зростання значень кількості зруйнованих елементів відповідає початку обвалення покрівлі. Звертає на себе увагу те, що стале обвалення відбувається при меншій довжині виробленого простору в порівнянні з первинним.

Як видно з наведених залежностей, вони подібні одна одній і можуть бути приблизно замінені двома прямими, перша з яких виходить з початку координат і має невеликий кут нахилу до осі абсцис, друга - є продовженням першої. Вона розміщується під великим кутом до осі абсцис і починається в точці, відповідній обваленню порід покрівлі.

Становило інтерес досліджувати залежність похідної від довжини виробленого простору . Екстремум цієї функції, виходячи з фізичних уявлень, повинен відповідати обваленню покрівлі.

Наведена залежність характеризується різким стрибком величини в момент, відповідний обваленню покрівлі, що дозволяє зробити висновок про

можливість використання швидкості росту ентропії порід покрівлі як інформативного параметра, що характеризує ймовірність її обвалення. Становило інтерес провести порівняльний аналіз результатів досліджень обвалень покрівлі очисних виробок з використанням інтегрального критерію міцності (20) і отриманого ентропійно-інтегрального критерію руйнування. Був проаналізований великий обсяг геомеханічної і гірничотехнічної інформації за наступними групами шахт: ВАТ «Павлоградвугілля», ДП «Луганськвугілля», ДП «Первомайськвугілля», ДП «Сніжнеантрацит», ДП «Шахтарськантрацит», ДП «Антрацит», ДП «Торезантрацит», ДП «Свердловантрацит», ДП «Ровенькиантрацит», а також шахт «Красноармійська-Західна №1» та «Краснолиманська».

Порівняльні криві, отримані з використанням даних натурних вимірювань кроку сталого обвалення покрівлі очисних виробок для умов шахт ДП «Ровенькиантрацит».

Аналогічні криві були отримані для шахт ВАТ «Павлоградвугілля» і шахт Донецької і Луганської областей.

Як видно з наведених залежностей, вони подібні одна одній. Звертає на себе увагу те, що відмінність цих кривих від кривих, зроблених за розрахунковими даними, отриманими з використанням інтегрального критерію міцності (20) і розробленого ентропійно-інтегрального критерію руйнування не перевищує 15%. І той і інший критерії добре корелюють з величинами обвалень покрівлі, що реально відбулися. Аналогічні результати були отримані і для випадків первинного обвалення.

Отриманий результат дозволяє стверджувати, що розроблений ентропійно-інтегральний критерій руйнування може бути використаний для прогнозу виникнення первинного і сталого обвалень порід покрівлі очисної виробки.

Аналіз ефективності існуючих елементів систем контролю для вугільних шахт, дозволив сформулювати вимоги до комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою.

Цілісна система контролю й керування повинна бути інформаційно-обчислювальним комплексом, що складається з наступних елементів:

- джерел інформації, встановлених за певною схемою в робочому просторі очисного вибою і поблизу нього;

- шахтної мікропроцесорної системи первинної обробки інформації;

- засобів передачі інформації на центральний інформаційно-диспетчерський пункт на поверхні шахти;

- пакету прикладних програм для аналізу й обробки інформації, що забезпечує оперативний вибір оптимальних технологічних рішень для конкретної геомеханічної і газової ситуації;

- шахтного інформаційно-керуючого комплексу на базі ЕОМ, який забезпечує збір інформації від датчиків, видачу керуючих сигналів на виконавчі органи машин і механізмів при виникненні аварійних ситуацій, а також світлову і звукову сигналізацію в цих випадках;

- власне інформаційно-обчислювального комплексу з робочим місцем диспетчера на поверхні шахти.

Концепція сучасної технології забезпечення надійного функціонування очисного вибою повинна містити чотири рівні:

1. Датчики і виконавчі механізми (рівень 0).

2. Пристрої зв'язку з об'єктами (рівень 1).

3. Пристрої керування (рівень 2).

4. Автоматизовані робочі місця (рівень 3).

Функціонування очисного вибою необхідно розглядати як злагоджену роботу послідовно сполучених підсистем. При цьому відмова хоча б однієї з підсистем виводить з ладу всю систему. Ймовірність безвідмовної роботи такої системи дорівнює множині ймовірностей безвідмовної роботи її елементів (підсистем):

, (29)

де - ймовірність надійної роботи i-ї підсистеми очисного вибою.

З погляду теорії керування, функціонування очисного вибою повинне аналізуватися відповідно до задачі про максимум множини.

Стосовно теми дослідження, вона формулюється таким чином: сума ймовірностей безаварійної роботи підсистем очисного вибою повинна знаходитися в деякому допустимому інтервалі, а множина цих ймовірностей повинна прагнути максимального значення. Тоді має виконуватися наступна умова:

, (30)

де - кількість цих підсистем . Величини і є фазовими координатами, а сукупність величин - керуючими параметрами. Слід зазначити, що величина ймовірності може змінюватися в діапазоні від 0 до 1, тобто повинна виконуватися умова: . Таким чином, множина ймовірностей завжди менше одиниці, і для наближення її значення до одиниці необхідне підвищення ймовірності безаварійної роботи кожної з підсистем. Виконання умови (30) може слугувати критерієм оптимальності роботи очисного вибою за чинником «надійність функціонування». За чисельний критерій оцінки ймовірності безаварійної роботи може бути прийнятий критерій оцінки безпечної роботи атомних електростанцій, для яких ймовірність аварії на сьогоднішній день не може перевищувати 10^-6. З урахуванням цього вираз для ймовірності аварії в очисному вибої можна записати у вигляді:

. (31)

З урахуванням часу математична модель роботи комплексної системи контролю й керування може бути виражена таким чином:

, (32)

де і - відповідно швидкості розвитку і ліквідації небезпеки, , і - рівні ймовірності безаварійної роботи відповідно: максимальний, мінімальний і допустимий; , , - тривалості: нормальної роботи очисного вибою, зростання небезпеки і ліквідації небезпеки.

Ступінь адаптації очисного вибою може визначатися виразом:

, (33)

де - сукупність траєкторій змін станів підсистем очисного вибою, що визначають надійність його функціонування.

Цю умову можна розглядати як якісну оцінку адаптації очисного вибою до зовнішніх і внутрішніх умов, що змінюються. Узагальнена умова надійності функціонування очисного вибою за критерієм адаптації, яка є математичною моделлю керування, має наступний вигляд:

. (34)

Подальші дослідження були спрямовані на створення імітаційної моделі комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою. Доцільність створення імітаційної моделі комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою полягає в тому, що:

- не існує закінченої математичної постановки для створення комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою і не розроблені аналітичні методи вирішення сформульованої математичної моделі;

- частково є системи контролю надійності функціонування окремих підсистем вугільної шахти і лави, але вони не є цілісною системою, що здійснює контрольно-регулювальні функції по лаві.

У найзагальнішому випадку, структуру імітаційної моделі математично можна зобразити як:

, (35)

де - результат дії очисного вибою; - змінні і параметри, якими ми можемо керувати; - змінні і параметри, якими ми не можемо керувати; f - функціональна залежність між і , яка визначає величину .

Програма для створення імітаційної моделі розроблена на Delphi-7. Контрольовані параметри та їх набір можуть змінюватися вручну, або змінюватися стохастично за допомогою генератора випадкових чисел. Розроблена імітаційна комп'ютерна модель пройшла успішну апробацію в умовах шахти ім. Фрунзе ДП «Ровенькиантрацит».

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановленого зв'язку ентропії гірських порід приконтурної області породного масиву та її стану як основної підсистеми очисної виробки, розроблених ентропійних критеріїв руйнування та результатів моделювання очисного вибою як складної технічної системи, вирішена актуальна наукова проблема забезпечення надійності функціонування очисного вибою як керуємого геомеханічного об'єкту. В процесі виконання даної роботи отримані наступні основні наукові висновки і результати:

1. Надано наукове обґрунтування нового наукового підходу до вирішення комплексної проблеми забезпечення надійності й ефективності функціонування очисних вибоїв як основної виробничої одиниці сучасної вугільної шахти, виходячи з потреб держави в кам'яному вугіллі. В основу підходу покладено уявлення про очисний вибій як складну технічну систему типу «людина - машина - середовище». Обґрунтований набір інформативних параметрів, контроль яких дає можливість визначати рівень надійності функціонування очисного вибою у будь-який момент часу. Встановлений взаємозв'язок між ентропією порід приконтурної області масиву, що вміщує очисний вибій, і його стійкістю. Результати проведених досліджень були покладені в основу наукового відкриття «Закономерность изменения устойчивости породных обнажений при периодических нагрузках», зареєстрованого в 2000 р. (диплом № 151). Показано, що надійність функціонування очисного вибою визначається функцією від множини ймовірностей надійної роботи за групами чинників: «газовому», «стійкості приконтурної області», «роботи технологічного устаткування» і «людському». Кожний з перерахованих чинників містить набір контрольованих параметрів, частина з яких не змінюється протягом всього періоду відпрацювання очисного вибою, частина є квазіпостійними протягом однієї зміни видобування, і ті, що змінюються безперервно.

Встановлено, що приріст ентропії порід приконтурної області масиву при їх відбиванні від масиву знаходиться в лінійній залежності від об'єму відбиваємих порід, коефіцієнта Пуассона, діючих напружень, зміни внутрішньої енергії і в обернено пропорційній залежності від модуля Юнга і температури відбиваних порід, є інтегральним параметром, що характеризує напружено-деформований стан порід приконтурної області масиву, їх фізико-механічні та термодинамічні властивості.

Сформульовані локальний і інтегральний критерії руйнування елемента гірської породи і ділянки породного масиву, що містить очисну виробку, і ентропійно-інтегральний критерій руйнування ділянки породного масиву.

Для аналізу техніко-економічного стану очисного вибою отримана умова його надійного функціонування і математична модель роботи комплексної системи контролю й керування. Розроблена структурна модель комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою і математична модель надійності його функціонування, котрий як основна виробнича одиниця вугільної шахти, на відміну від аналогічних виробничих систем в інших галузях промисловості, характеризується значною невизначеністю робочих місць, що викликане відсутністю достовірних даних про властивості та стан гірського масиву і технологічного устаткування (чинники стійкості приконтурної області і роботи технологічного устаткування); атмосферу робочого простору очисного вибою (газовий чинник); поведінку обслуговуючого персоналу (людський чинник). Вперше розроблена імітаційна комп'ютерна модель комплексної системи контролю й керування надійністю функціонування очисного вибою (високонавантаженої лави). В основу ідеї моделювання покладено урахування впливу і взаємовпливу чинників надійності функціонування очисного вибою. Розроблена оптимізаційна математична модель надійності функціонування очисного вибою. Як критерій оптимізації вибраний критерій «надійність функціонування».

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Мещанинов С.К. Научные основы обеспечения надежности функционирования очистных забоев шахт Украины: [монография] / Мещанинов С.К. - Днепропетровск: Национальный горный университет, 2005. - 230 с.

2. Мещанинов С.К. К вопросу устойчивости породных обнажений / А.Н. Зорин, В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов [и др.] // Науковий вісник НГАУ. - 2000. - №1. - С. 100-101.

3. Мещанинов С.К. К вопросу о статистико-термодинамической трактовке процесса разрушения горных пород / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2000. - №. 23. - С. 125-129.

4. Мещанинов С.К. Определение техногенных зон угольного пласта шахты «Белозерская» / А.Н. Зорин, С.К. Мещанинов, В.П. Вдовиченко [и др.] // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2001. - №29. - С. 48-53.

5. Мещанинов С.К. Определение техногенных зон в шахтных полях методом удельной изменчивости уклонов / [С.В. Кужель, А.Н. Зорин, С.К. Мещанинов и др.] // Уголь Украины. - 2002. - №9. - С. 6-8.

6. Мещанинов С.К. Использование вероятностно-статистического подхода к обоснованию структуры основных параметров системы локального геоконтроля безопасности высоконагруженных лав / Ю.И. Кияшко, С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2002. - №36. - С. 166-173.

7. Мещанинов С.К. К вопросу о математической модели газовой ситуации в высоконагруженной лаве / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2002. - №40. - С. 123-130.

8. Мещанинов С.К. Исследование механизма поведения кровли с использованием пространственно-временного показателя её устойчивости / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - 2003. - №41. - С. 120-127.

9. Мещанинов С.К. О взаимосвязи поврежденности горных пород и их физических параметров в задачах оценки устойчивости подземных пространств и породных обнажений / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. - №42. - С. 123-129.

10. Мещанинов С.К. К разработке структурной модели высоконагруженной лавы как объекта управления / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов, А.И. Коваль // Науковий вiсник НГУ. - 2004. - №7. - С. 16-19.

11. Мещанинов С.К. К разработке оптимизационной математической модели управления надежностью функционирования высоконагруженной лавы по критерию адаптации / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2004.

12. Мещанинов С.К. К разработке имитационной модели локальной системы управления надёжностью функционирования высоконагруженной лавы / С.К. Мещанинов // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: МакНИИ, 2005. - С. 218-221.

13. Мещанинов С.К. О необходимости создания локальной системы контроля надежности функционирования высоконагруженной лавы / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов, А.И. Коваль // Горн. информ.- аналит. бюл. - Моск. горн. ун-т, 2005. - №9. - С. 87-95.

14. Мещанинов С.К. Имитационная модель локальной системы управления надежностью функционирования высоконагруженной лавы / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов, А.А. Свириденко // Науковий вісник НГУ. - 2005. - №1. - С. 33-36.

15. Мещанинов С.К. Исследование зависимости роста нарушенности образцов горных пород от температуры / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2005. - № 8. - С. 30-34.

16. Мещанинов С.К. О современной концепции безопасности эксплуатации высоконагруженных лав / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов // Уголь Украины. - 2005. - №12. - С. 29-32.

17. Мещанинов С.К. Математическая модель надежности функционирования очистного забоя / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2006. - № 12.

18. Мещанинов С.К. К научному обоснованию параметров систем контроля и управления надежностью ведения подземных горных работ / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов // Вісник Криворізького технічного університету. - 2007. - Вип. 18. - С. 32-36.

19. Мещанинов С.К. К оценке эффективности ведения очистных работ / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2007. - № 6. - С. 18-21.

20. Мещанинов С.К. Математическая модель готовности очистного забоя к функционированию / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2007.

21. Мещанинов С.К. Исследование закономерностей поведения приконтурной области массива при отработке очистного забоя / А.Н. Шашенко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 2. - С. 29-22. Meschaninov S.K. The estimation of stability in-contour rock mass region, containing extractive working on the base of entropy-integral criterion / S.K. Meschaninov // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 6. - С. 55-57.

23. Мещанинов С.К. Энтропийный метод контроля, управления и прогнозирования надежности функционирования очистного забоя / А.Н. Шашенко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. - 2008. - №5. - С. 17-

24. Мещанінов С.К. Ентропійно-інтегральний критерій оцінки стійкості ділянки масиву, що містить очисну виробку / С.К. Мещанінов // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 7. - С. 42-44.

25. Мещанинов С.К. К разработке алгоритма расчета устойчивости приконтурной области массива, вмещающего высоконагруженную лаву / С.К. Мещанинов // Вісті Донецького гірничого інституту. - 2008. - №1. - С. 13-19.

26. Мещанінов С.К. Дослiдження процесу обвалення покрiвлi очисної виробки з використанням методу скінчених елементів і ентропійно-інтегрального критерію / О.М. Шашенко, Н.В. Хозяйкіна, С.К. Мещанінов // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 8. - С. 28-31.

27. Мещанинов С.К. Пат. 58804 А Україна, МПК⁷ 7G01N3/18 Спосіб контролю породних оголень /Ю.И. Кияшко, С.К. Мещанинов, В.П. Вдовиченко; Заявник і патентовласник Інститут геотехничної механіки НАН України. - №2002108538; заявл. 28.10.02.; Опубл. 15.08.03.; Бюл. №8.

28. Мещанинов С.К. Использование термодинамики необратимых процессов и вероятностно-статистического подхода для оценки степени поврежденности образцов горных пород при одноосном сжатии / Б.Н. Дикарев, С.К. Мещанинов, В.В. Ганопольский // 5-й Польско-Украинский семинар по механике материалов и конструкций. - 1997. - Днепропетровск: ПГАСА. - С. 63-66.

29. Мещанинов С.К. Энтропийный метод оценки устойчивости породных обнажений / С.К. Мещанинов, А.Н. Зорин // Сб. науч. тр. 10-й междунар. научной школы «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и

динамические явления в горных породах и выработках», Алушта - Симферополь: Таврический национальный университет. - 2000. - С. 89-90.

30. Meshaninov S. The entropy method of estimation underground spaces steadiness / Zorin A., Meshaninov S. // Proceedings of the international symposium on geotechnological issues of underground space use for environmentally protected world, Dnipropetrovsk. - 2001. - P. 113-114.

...