Delist.ru

Разработка методических основ изучения геомеханического состояния анизотропного (по прочности) массива с системой выработок (30.08.2007)

Автор: Черданцев Николай Васильевич

2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для реализации модели и комплексного изучения нарушенности массива около системы выработок. Установление рациональных параметров и критерия устойчивости алгоритма.

3. Изучение нарушенности приконтурного массива с протяженными одиночными выработками в зависимости от форм их поперечных сечений и характерных размеров.

4. Оценка влияния протяжённости одиночной выработки на нарушенность массива и установление критерия рационального применения плоской (двумерной) и объёмной (трёхмерной) постановок задач геомеханики.

5. Определение областей неустойчивости массива, вмещающего систему протяжённых цилиндрических выработок. Оценка влияния опорного давления на устойчивость массива вблизи этой системы выработок.

6. Установление закономерностей нарушенности массива в окрестности сопрягающихся выработок.

7. Адаптация модели к реальным массивам и апробация разработанных методов моделирования геомеханического состояния массива с прочностной анизотропией в натурных условиях.

Методы исследования:

- методы теории упругости для постановки задачи о выработке в массиве и получении тензоров Грина и Кельвина;

- метод механических квадратур для численного решения граничного интегрального уравнения краевой задачи теории упругости;

- метод граничных элементов для построения непрерывного поля напряжений в массиве с системой выработок;

- методы механики разрушения (теория Мора - Кузнецова) при оценке нарушенности массива, вмещающего систему выработок, по поверхностям ослабления;

- методы механики деформируемого твёрдого тела для расчёта подкреплений анкерного типа и исследования перемещений контуров выработок;

- методы вычислительной математики для решения систем линейных уравнений и сплайн-аппроксимации контуров ЗНС;

- методы разработки алгоритма программирования и вычислительные технологии (MATHCAD, MATLAB) для реализации модели и графической визуализации результатов;

Научные положения:

Методы, реализующие модель геомеханического состояния массива с прочностной анизотропией, создают условия для комплексного изучения техногенной нарушенности массива в окрестности произвольной системы выработок.

2. Нарушенность массива, вмещающего протяжённые одиночные выработки, в большей мере зависит от формы контуров поперечного сечения, чем от их периметров, а вблизи щелевых выработок она пропорциональна отношению их характерных размеров.

3. Для протяжённой выработки характерно единообразие нарушенности массива на большей части её длины за исключением малых областей, примыкающих к торцам. Критерием рационального применения плоской и объёмной постановок задач геомеханики является длина выработки.

4. Размеры и конфигурация областей неустойчивости массива определяются параметрами массива и геометрией системы цилиндрических выработок. Для описания этих областей эффективен диаграммный метод построения их границ по критерию смыкания ЗНС отдельных выработок.

5. Нарушенность массива в зоне опорного давления в большей мере зависит от максимума, чем от длины его опорной зоны. При этом выделяются области преимущественного влияния его максимума (большие площади эпюры опорного давления) и длины (малые площади эпюры).

6. Геомеханическое состояние массива с прочностной анизотропией в окрестности сопрягающихся выработок определяется неравномерным характером нарушенности вдоль осей выработок, её концентрацией непосредственно на сопряжении выработок, несущественностью влияния угла смежности выработок.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- корректной постановкой краевой задачи теории упругости, использованием критерия прочности Мора – Кузнецова и применением метода граничных элементов;

- совпадением результатов решения канонических задач геомеханики методом граничных элементов с результатами их решения аналитическими методами (погрешность не более 1%);

- многовариантным вычислительным экспериментом, проведённым на системах плоских и объёмных выработок, в том числе сопряжений, при различных параметрах среды (более 900 вариантов, включающих примерно 2000 расчётных слоёв, соответствующих сечениям выработок);

- сходимостью результатов расчёта ЗНС массива за контуром выработок с результатами экспериментальных исследований на физических моделях и горных объектах (отклонение не более 15%).

Научное значение работы состоит в разработке комплекса методов компьютерного моделирования геомеханического состояния массива с прочностной анизотропией, вмещающего систему выработок. К их числу относятся:

- метод построения непрерывного поля напряжения вблизи выработок, точечная дискретизация которого определяется рациональными размерами граничных элементов и ячеек расчётной сетки;

- методы оценки нарушенности массива и его устойчивости в окрестности выработок; - метод вычислительного эксперимента для изучения закономерностей проявления этого состояния в зависимости от параметров среды;

- метод модульной аппроксимации поверхностей выработок и их систем;

- метод классификации протяжённых, одиночных выработок по их влиянию на окружающий массив.

Интеграция этих методов создала достаточный научно-методический инструментарий для изучения реальных физических сред на основе их модельных аналогов, ориентированных на конкретные проявления геомеханического состояния при техногенном воздействии на массив горных пород.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработанная модель геомеханического состояния массива горных пород, учитывающая прочностную анизотропию в виде поверхностей ослабления и опорное давление, интегрирует два подхода по определению его напряжённо-деформированного состояния (НДС) – аналитический (интегральное уравнение краевой задачи) и численный (дискретизация краевой задачи посредством граничных элементов), что обеспечивает её универсальность применительно к выработкам любых форм;

- разработанный алгоритм в отличие от традиционной реализации моделей НДС ориентирован на расчёт ЗНС, программно поддерживает универсальность разработанной модели и дополнительно обладает свойством комплексности, поскольку обеспечивает изучение нарушенности и устойчивости массивов в строго поставленном порядке варьирования физических параметров среды и геометрии выработок, обусловленном постановкой вычислительного эксперимента;

- введение коэффициента нарушенности и интенсивности нарушения, в отличие от коэффициента концентрации напряжений, создало методическую основу единообразного количественного изучения нарушенности и устойчивости массива, позволило практически обосновать сходимость алгоритма и установить его рациональные параметры – размеры граничных элементов и ячейки расчётной сетки;

- получен численный критерий разграничения плоской и объёмной постановок задач геомеханики и выявлен характер нарушенности массива вдоль осей выработок;

- построены диаграммы интенсивности нарушения массива в окрестности системы цилиндрических выработок, которые создают эффективный механизм выявления его областей устойчивости в зависимости от параметров среды и взаимного размещения выработок;

- установлено дифференцированное влияние параметров опорного давления (максимум и длина опорной зоны) на нарушенность массива, что обеспечивает возможности прогноза геомеханического состояния реального массива, вмещающего систему цилиндрических выработок, в зоне повышенного горного давления.

Практическое значение работы заключается в следующем:

загрузка...