Delist.ru

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

Автор: Черданцев Николай Васильевич

Основные итоги, конкретные научные результаты и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. 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. Интеграция метода с критерием разрушения Мора – Кузнецова составила основу компьютерной пространственной модели геомеханического состояния массива с прочностной анизотропией и обеспечило её применение в различных горно-технических задачах. На основании введённого показателя - коэффициента нарушенности разработан метод количественной оценки нарушенности массива, создающий методическую основу изучения и обеспечивающий единообразное сопоставление различных техногенных воздействий.

2. Разработанный алгоритм реализован в среде программных пакетов MATHCAD, MATLAB и осуществляет проведение комплексных расчётов геомеханического состояния массивов – напряжённого и состояния нарушенности, а также графическую визуализацию ЗНС массива. Его сходимость и устойчивость апробированы на решениях большого ряда характерных плоских и объёмных задач с различными параметрами среды (более 900 вариантов типовых и специфических задач). Выявлено, что 10% изменению значений параметров модели соответствует примерно такое же изменение степени нарушенности массива, что подтверждает устойчивость разработанного алгоритма. Разработан метод модульной аппроксимации поверхности выработок сложных форм в среднем на 30% сокращающий объём программирования типовых и специфических задач геомеханики. Вычислительный эксперимент на плоских задачах, показывает, что сходимость счёта обеспечивается при размере граничного элемента в 0,1 части пролёта выработки. В объёмных задачах размер стороны плоского граничного элемента составляет около 0,25 пролёта выработки. Если для плоской задачи необходимое число граничных элементов 40, то для объёмных выработок (длиной не более трёх пролётов) их число граничных элементов - 224.

3. Проведенная, на основе коэффициента нарушенности классификация выработок, позволила выделить четыре уровня нарушенности массива в их окрестности – слабую, среднюю, сильную и аномальную, отличающиеся значениями коэффициента 1; 1,3; 2; 4. 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. Коэффициент нарушенности массива вблизи специфической выработки крестообразного поперечного сечения занимает среднеарифметическое положение между коэффициентами нарушенности массива вблизи вертикальной и горизонтальной щелей. При этом минимальное его значение в окрестности щели составляет 0,915 единиц (для квадрата - 1,08).

4. Моделирование ЗНС массива вокруг одиночных выработок в объёмной постановке показывает, что вне зависимости от форм поперечных сечений при длине выработки не менее трёх пролётов целесообразна плоская постановка. В сечении, отстоящем в одном пролёте от торца, коэффициент отличается от плоского варианта не более 5%. Таким образом, влияние торцов на остальные части выработки несущественно, что и определяет его локальный характер, ограниченный одним пролётом.

5. На основе моделирования ЗНС массива с использованием показателя интенсивность нарушения разработан диаграммный метод определения областей неустойчивости массива с системой цилиндрических выработок в полярной и прямоугольной системах координат. Установлено, что области неустойчивости при (=1, (=900, K/(H=0 независимо от угла ( представляют собой четырёхлепестковую диаграмму, которая при повороте поверхностей ослабления на угол ( поворачивается на этот же угол. Коэффициент нарушенности в интервале 350(((750 принимает большие значения, чем при (=900. При росте коэффициента сцепления степень нарушенности падает, а при коэффициенте бокового давления, отличном от единицы, наоборот, увеличивается. Наличие опорного давления увеличивает нарушенность массива, а графики интенсивности нарушения в зависимости от площади опорной зоны имеют экспоненциальный характер.

6. По результатам вычислительного эксперимента установлены следующие закономерности нарушенности массива, вмещающего сопрягающиеся выработки квадратного поперечного сечения. Распределение коэффициента нарушенности вдоль осей выработок носит переменный характер, а сама нарушенность концентрируется на части сопряжения в два пролёта, 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 протяжённой одиночной выработки на 40%, а величина эквивалентного пролёта протяжённой выработки прямоугольного сечения с коэффициентом, равным максимальному его значению на сопрягающихся выработках, на 80% превышает пролёт этих выработок. Зависимости коэффициента нарушенности в окрестности сопряжения с углом смежности 150 - 900, близки друг к другу (максимальное отклонения от средней кривой не превышает 6%), что говорит о незначительном влиянии этого параметра. Степень нарушенности на сопрягающихся выработках эквивалентна нарушенности вокруг объёмной протяжённой выработки.

7. Апробация разработанных методов моделирования геомеханического состояния массива горных пород, вмещающего систему выработок для различных горно-технических условий показала:

- для условий разреза «Распадский», разрабатывающего угольный пласт по системе HIGHWALL, получены рациональные параметры этой системы, обеспечивающие устойчивость целиков (минимальный размер устойчивого целика составляет 2,5 пролёта выработки);

- для условий шахт «Осинниковская» и «Южная» точно определены характеристики ЗНС, что позволило рассчитать рациональные параметры паспортов анкерного крепления (максимальная длина анкера на шахте «Осинниковская» составила 4,43м, максимальное усилие натяжения 50kH; максимальная длина анкера на шахте «Южная» - 7,17м, максимальное усилие натяжения 109,8kH);

- для дегазации угольного пласта при проведении подготовительных выработок рассчитаны рациональные параметры веера скважин с учётом наиболее важных характеристик массива. Скважины образованы попарно (расстояние между скважинами пары в области их забоя составляет 1,3 d, расстояние между парами скважин 2,3d, где d – диаметр скважины равен 200мм). Эффективная площадь дегазации одной скважины веера, включающего десять скважин, составила 2,92м2;

- по результатам моделирования нарушенности массива в призабойных частях подготовительных выработок на шахте «Котинская» (Кузбасс) установлено, что в зависимости от ориентации поверхностей ослабления и направления проведения выработок разрушения массива происходят в разных её бортах, что позволило смежные подготовительные выработки расположить так, чтобы разрушения в бортах пришлись на целик между ними. Данный эффект не обнаруживается в рамках известных моделей.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

Публикации в рецензируемых изданиях:

1. Черданцев Н.В. Прогноз смещений почвы подготовительных горных выработок //Вест. КузГТУ. - 2000. - № 4. - С. 25-27.

2. Черданцев Н.В. Метод граничных интегральных уравнений в задачах механики подземных сооружений /Н.В. Черданцев, В.А. Шаламанов //Вест. КузГТУ. - 2003. - № 4. - С. 19-21.

3. Черданцев Н.В. Зоны нарушения сплошности вокруг закреплённой сводчатой выработки /Н.В. Черданцев, С.В. Черданцев //Вест. КузГТУ. - 2003. - № 5. - С. 16-18.

4. Черданцев Н.В. Зоны нарушения сплошности в области сопряжения двух выработок квадратного поперечного сечения //Вест. КузГТУ. - 2003. - № 5. - С. 19-21.

5. Черданцев Н.В. Области разрушения вокруг сопряжений двух выработок квадратного поперечного сечения //Вест. КузГТУ. - 2003. - № 6. - С. 6-7.

6. Черданцев Н.В. Зоны нарушения сплошности вокруг выработок с нетиповыми поперечными сечениями //Вест. КузГТУ. - 2003. – № 6. - С. 8-11.

7. Черданцев С.В. Об эффективности использования винтового стержня с целью повышения устойчивости выработок /С.В. Черданцев, Н.В. Черданцев //Вест. КузГТУ. - 2004.–№ 1.(С. 3(7.

8. Черданцев Н.В. Зоны нарушения сплошности в области сопряжения двух выработок круглого поперечного сечения //Вест. КузГТУ. - 2004.–№ 1.(С. 7(9.

9. Черданцев Н.В. Области нарушения сплошности в окрестности двух параллельных выработок трапециевидного сечения /Н.В. Черданцев, С.В. Черданцев //Вест. КузГТУ.-2004.–№ 2.- С. 6-7.

10. Черданцев Н.В. Устойчивость сопряжения двух выработок сводчатой формы /Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон //ФТПРПИ. - 2004. - № 2. - С. 48-51.

11. Черданцев Н.В. Устойчивость перегонных тоннелей в районе трёхсводчатых станций колонного типа //Вест. КузГТУ. - 2004. – № 3. - С. 3-5.

12. Черданцев Н.В. Зоны нарушения сплошности в области сопряжения двух горных выработок /Н.В. Черданцев, С.В. Черданцев //ПМТФ. - 2004. - № 4. - С. 137-139.

13. Черданцев Н.В. Устойчивость сопряжения вертикального ствола и горизонтальной выработки //Вест. КузГТУ.(2004.–№ 5.(С. 3(5.

14. Черданцев Н.В. Граничные интегральные уравнения в задачах механики подземных сооружений /Н.В. Черданцев, В.А. Шаламанов //Известия вузов “Горный журнал”.(2004.(№ 5.(С. 50(54.

15. Черданцев Н.В. Выбор параметров анкерной крепи в массиве пород с поверхностями ослабления /Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон //Вест. КузГТУ. - 2004. - № 6.1. - С. 112-113.

16. Черданцев Н.В. Устойчивость сопряжения перегонных тоннелей и трёхсводчатой станции метро //Известия ТулГУ. Серия. Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып. 2. 2004. – C. 270-275.

17. Черданцев Н.В. Расчёт крепи выработок, пройденных в массиве пород с поверхностями ослабления /Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон //Вест. КузГТУ. - 2004. - № 6.1. - С. 114-115.

18. Черданцев Н.В. Сравнение размеров областей разрушения вокруг сопряжений выработок по двум концепциям /Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон // Вест. КузГТУ. - 2004. - № 6.2.–С. 14(17.

19. Черданцев С.В. О влиянии предварительно обжатой пружины на зону нарушения сплошности вокруг цилиндрической полости /С.В. Черданцев, Н.В. Черданцев //ПМТФ. - 2005. - № 3. - С. 141-148.

20. Черданцев Н.В. Устойчивость выработки квадратного поперечного сечения, пройденной в массиве осадочных горных пород в поле тектонических напряжений /Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон //Вест. КузГТУ. - 2006. - № 1.–С. 14(16.

21. Черданцев Н.В. Геомеханическое состояние массива горных пород с поверхностями ослабления в окрестности комплекса протяжённых горизонтальных выработок /Н.В. Черданцев, В.А. Федорин //Вест. КузГТУ. - 2006. - № 1.–С. 17(19.

22. Изаксон В.Ю. Проявление горного давления в окрестности сопряжения двух выработок прямоугольного поперечного сечения и пути повышения его устойчивости /В.Ю. Изаксон, Н.В. Черданцев, В.Е. Ануфриев //Известия ТулГУ. Серия. Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып. 4. 2006. – C. 76-81.

23. Черданцев Н.В. Классификация вырезов по степени их влияния на окружающий массив /Н.В. Черданцев, В.Т. Преслер, В.Ю. Изаксон //Вест. КузГТУ. - 2006. - № 5.–С. 3(7.

Монография:

24. Черданцев Н.В. Некоторые трёхмерные и плоские задачи геомеханики /Н.В Черданцев, В.Ю. Изаксон. – Кемерово, КузГТУ, 2004.(190 с.

Статьи в научных сборниках:

загрузка...