Разработка модели геомеханического состояния массива горных пород с прочностной анизотропией, вмещающего систему выработок. Определение областей неустойчивости массива и закономерностей нарушенности массива в окрестности сопрягающихся выработок.
Аннотация к работе
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АНИЗОТРОПНОГО (ПО ПРОЧНОСТИ) МАССИВА С СИСТЕМОЙ ВЫРАБОТОК Работа выполнена в Институте угля и углехимии СО РАН Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Васильевич, Институт проблем комплексного освоения недр РАН доктор технических наук, Кулаков Геннадий Иванович, Институт горного дела СО РАН доктор технических наук, профессор Хямяляйнен Вениамин Анатольевич, ГОУ ВПО Кузбасский государственный технический университетГорные породы вблизи выработок разрушаются, прежде всего, по поверхностям ослабления, образуя за их контуром зоны нарушения сплошности (ЗНС) массива. В массивах, вмещающих системы выработок, при определенных условиях происходит интеграция ЗНС, т.е. их объединение в зоны, называемые областями неустойчивости массива. Метод граничных элементов - единственный численный метод, который определяет поле напряжений по любым системам поверхностей ослабления, поскольку в этом методе дискретно представляется не весь массив, а лишь поверхность выработки. Отсутствие компьютерной модели геомеханического состояния массива с прочностной анизотропией и количественных методов оценки этого состояния в окрестности системы выработок затрудняет процесс изучения состояния реальных массивов горных пород. В связи с этим разработка методических основ изучения геомеханического состояния анизотропного (по прочности) массива с системой выработок, включающая модель этого состояния, методы ее компьютерной реализации, количественной оценки устойчивости массива и классификации выработок по степени их влияния на окружающий массив, является актуальной проблемой, имеющей существенное научное и прикладное значение.Если известны напряжения ?qm вокруг выработки, полученные из решения задачи теории упругости, то напряжения ?? и ?? по поверхности ослабления определяются зависимостями Для определения компонентов объемного напряженно-деформированного состояния массивов около выработок используются аналитические и численные методы механики деформируемого твердого тела. Вторая часть состоит из оригинального программного обеспечения и включает: 1) аппроксимацию граничными элементами поверхностей (контуров) системы выработок на основе принципа модульного проектирования согласно геометрическим параметрам выработок; 2) построение расчетных плоскостей; 3) расчет НДС массива; 4) формирование ЗНС по критерию прочности Мора - Кузнецова; 5) расчет крепи выработок; 6) организацию вычислительного эксперимента согласно его спецификации. Для установления рациональных параметров алгоритма, которыми являются размеры граничных элементов (число граничных элементов) и размеры ячейки расчетной плоскости, а также обоснованию его устойчивости в работе решено шесть задач о нарушенности массива около типовых выработок: 1) плоская с выработкой квадратного поперечного сечения; 2) плоская с двумя одинаковыми выработками квадратного сечения; 3) объемная с выработкой в форме параллелепипеда; 4) объемная с выработкой в форме прямоугольно-сводчатой призмы; 5) объемная с двумя выработками - параллелепипедами; 6) сопряжение двух горизонтальных выработок квадратного поперечного сечения, примыкающих друг к другу под углом 600 при трех вариантах параметров среды. На рисунке 8 показаны построенные ЗНС около выработки сводчатого поперечного сечения (радиус свода r равна одной единице длины, длина выработки L=6r, ее пролет b=2r, высота выработки 2r), а на рисунке 9 приведены кривые коэффициента нарушенности (3 - в объемной постановке, 4 - в плоской постановке).Разработан метод построения непрерывного поля напряжений в массиве горных пород, вмещающего систему выработок, основанный на конечномерной дискретизации интегрального уравнения Фредгольма второго рода посредством аппроксимации поверхностей выработок граничными элементами. Степень нарушенности массива зависит, в основном, от формы поперечных сечений выработок и определяется наличием острых углов между стороной поперечного сечения выработки и направлением поверхностей ослабления и вытянутостью поперечного сечения в горизонтальном направлении. Распределение коэффициента нарушенности вдоль осей выработок носит переменный характер, а сама нарушенность концентрируется на части сопряжения в два пролета, приходящейся на средний его участок и составляет, в среднем, 54,5% от общей нарушенности в окрестности всего сооружения. Максимальное значение коэффициента нарушенности на этом участке превышает его аналог в окрестности протяженной одиночной выработки на 40%, а величина эквивалентного пролета протяженной выработки прямоугольного сечения с коэффициентом, равным максимальному его значению на сопрягающихся выработках, на 80% превышает пролет этих выработок.