Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Гапєєв Сергій Миколайович

УДК 622.831.3:531.36

закономірності втрати пружнопластичної

стійкості складноструктурного масиву

навколо одиночної виробки

Спеціальність 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ-2004

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Шашенко Олександр Миколайович,

завідувач кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Новікова Людмила Василівна,

завідувачка кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, доцент

Бабіюк Геннадій Васильович,

професор кафедри будівельної геотехнології і гірничих споруд Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Провідна установа: | Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, відділ механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться “_21_” _січня_ 2005 р. о _1200_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розіслано “_09_” __грудня_ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | О.В. Солодянкін

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність теми. Вугілля було й залишається єдиною вітчизняною сировиною з достатнім рівнем запасів, що робить його надійним гарантом енергетичної незалежності країни на віддалену перспективу. Вугільна промисловість, таким чином, є однією з провідних галузей народного господарства України. Першочерговою задачею по підвищенню її ролі в економіці держави є збільшення обсягів видобутку конкурентноздатного вугілля. Одним із шляхів досягнення цього є зниження його собівартості. У структурі собівартості вугілля однією з вагомих частин є стаття витрат на підтримку та ремонт протяжних виробок, котрі забезпечують ритмічність ведення видобувних робіт.

Зростання глибин розробки, ускладнення гірничо-геологічних умов, збільшення прольотів виробок – усе це призвело до росту навантажень на кріплення, різким і більш інтенсивним проявам гірського тиску. В умовах постійного збільшення глибини ведення гірничих робіт проблема забезпечення стійкості гірничих виробок набуває особливо великого значення.

Вивчення стану протяжних виробок шахт України, аналіз витрат, що пов'язані із їх підтримкою та ремонтом, показують, що найбільш трудомісткими процесами при забезпеченні експлуатаційного стану виробок є заходи щодо боротьби зі здиманням порід підошви.

Таким чином, з огляду на низький рівень механізації робіт із підривки спучених порід, значні обсяги цих робіт (понад 2500 км на рік у цілому по вугільних шахтах України), цілком очевидно, що пошук ефективних способів боротьби зі здиманням підошви є однією з першорядних народногосподарських задач. При цьому розробка технологічних параметрів різних способів і методів протидії здиманню нерозривно пов'язана з дослідженням закономірностей цього складного за своєю природою явища. Особливе значення мають такі дослідження для умов, коли масив, що вміщує виробку, має структурні особливості, котрі впливають на його напружено-деформований стан (НДС), а отже, і на стан виробки.

У цьому зв'язку дослідження закономірностей здимання підошви протяжної виробки, розташованої в істотно неоднорідному масиві, і розробка на їхній основі заходів, спрямованих на зниження обсягів ремонтних робіт, є актуальною задачею, що має важливе наукове й практичне значення, рішенню якої і присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках комплексної галузевої програми РН.Ц.001 “Удосконалення технічної бази паливно-енергетичного комплексу і підвищення ефективності використання енергоресурсів” і пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України №4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України по програмі №20 “Розробити і впровадити ресурсозберігаючі й екологічно чисті технології видобутку і переробки вугілля”, за держбюджетними темами ГП-290 (№ держреєстрації 0102U003022) і ГП-321 (№ держреєстрації 0103U001292) у Національному гірничому університеті.

Метою досліджень є встановлення закономірностей явища втрати пружнопластичної стійкості підошви виробки, розташованої у масиві, що містить шари порід, які істотно відрізняються за своїми фізико-механічними властивостями.

Основна ідея полягає в урахуванні особливостей структури масиву навколо протяжної виробки при прогнозуванні її стану в умовах здимання порід підошви.

Основні задачі досліджень:–

аналіз і узагальнення літературних джерел і виробничого досвіду за темою дисертації;–

вивчення особливостей прояву гірського тиску в протяжних виробках з підошвою, що здимається;–

дослідження якісної картини деформування масиву в підошві одиночної виробки, що містить у товщі, яка залягає вище, потужний шар міцної породи;–

установлення закономірностей впливу шару міцної породи, що залягає в покрівлі протяжної одиночної виробки, на протікання втрати пружнопластичної стійкості підошви в ній, з урахуванням механічних явищ розпушення і разміцнення матеріалу масиву;–

розробка методики визначення можливості спучування підошви виробки в складноструктурному масиві, що містить шари міцної породи;–

розрахунок очікуваного економічного ефекту від застосування результатів досліджень.

Об'єктом досліджень є стійкість підошви протяжної одиночної виробки, що споруджена у складноструктурному масиві поза зоною впливу очисних робіт.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан масиву у підошві виробки під час втрати її стійкості.

Методи досліджень. Мета, що поставлена у дисертації, досягнута шляхом застосування комплексного підходу, що включає аналіз і узагальнення спеціальної наукової літератури, натурні інструментальні спостереження, лабораторні й аналітичні дослідження, виконані із залученням методу фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах, методів будівельної механіки, механіки твердого деформованого тіла, теорій пружності, пластичності та стійкості систем, які деформуються.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:–

конфігурація зони непружних деформацій навколо одиночної виробки істотно залежить від ступеня неоднорідності породного масиву, а середній радіус цієї зони, при одній і тій же величині бічного розпору, зворотньо пропорційний коефіцієнтові шаруватості, що дозволяє для конкретних гірничо-геологічних умов оцінити можливість здимання порід підошви і визначати таке місце закладення виробки, при якому її руйнування буде мінімальним;–

розміри області непружних деформацій навколо одиночної виробки нелінійно залежать від величини закритичного підняття підошви і, незалежно від коефіцієнта шаруватості, стабілізуються при її значенні, рівному 0,3 м, що дозволяє прогнозувати обсяги ремонтних робіт у виробці і розробляти заходи щодо забезпечення її стійкості.

Наукова новизна отриманих результатів:–

вперше застосований для вирішення чисельної пружнопластичної задачі про НДС приконтурного порідного масиву феноменологічний підхід, враховуючий нелінійні ефекти поводження матеріалу, який відрізняється тим, що під час рішення додаткові (непружні) деформації підсумовуються і кульова складова тензору деформацій змінюється таким чином, що на останньому кроці рішення одержуються значні переміщення на контурі виробки, котрі відбивають картину переміщень на контурі реальної виробки;–

вперше виконане рішення чисельної задачі дослідження збуреного процесу при втраті стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив” із використанням механічної моделі явища здимання порід підошви, що імітує розвиток процесу в часі та розглядає здимання, що має безперервний часовий характер, як дискретний квазістатичний процес;–

вперше розроблена математична модель, що дозволяє дослідити позакритичний стан приконтурного породного масиву навколо одиночної виробки у процесі підняття порід підошви;–

доведено, що при виконанні чисельних розрахунків напружено-деформованого стану породного масиву біля одиночної виробки з використанням покрокової процедури МСЕ збіжність рішення досягається, якщо інкремент величини зовнішнього навантаження дорівнює від максимального заданого значення;–

встановлено, що у формуванні напружено-деформованого стану шаруватого масиву навколо одиночної виробки поза зоною впливу очисних робіт, який містить шари, що істотно відрізняються за міцністю, беруть участь породи, розташовані на відстанях до 8,75R0 від контуру виробки, де R0 – її напівпроліт.

Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей зміни напружено-деформованого стану структурно неоднорідного приконтурного масиву у підошві одиночної протяжної виробки при втраті її пружнопластичної стійкості.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики визначення можливості спучування підошви виробки, розташованої в шаруватому породному масиві, з урахуванням потужності і міцності шарів, що його складають, що дозволяє вибирати раціональне місце розташування капітальних виробок вугільних шахт поза зоною впливу очисних робіт в умовах, котрі подібні до гірничо-геологічних умов під час розробки пласту на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень; коректністю поставлених задач; адекватністю розробленої математичної моделі реальним об'єктам; економічною ефективністю від використання результатів досліджень.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень були використані при спорудженні бремсберга №3 пл. на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”. Очікуваний економічний ефект за рахунок зниження в 1,5 рази обсягів і частоти підривок порід підошви складає більше 275 тис. грн. на рік на 1000 п.м. виробки.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень, у розробці математичної моделі та методики досліджень, в аналізі результатів лабораторних, натурних і чисельних експериментів, видачі рекомендацій з раціонального просторового розташування капітальних виробок із підошвою, що здимається, які експлуатуються у складноструктурному масиві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на засіданнях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2002-2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривій Ріг, 2004 р.), на науковому симпозіумі “Неделя горняка-2003” (м. Москва, 2003 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях “Форум гірників-2002” і “Форум гірників-2003” (м. Дніпропетровськ, 2002-2003 р.), на міжнародній конференції “Проблеми геомеханики и механики подземних сооружений” (м. Тула, 2003 р.), а також на міжнародній студентській науково-технічній конференції “Удосконалювання технології будівництва шахт і підземних споруд” (м. Донецьк, 2003 р.) і на студентських науково-технічних конференціях 2002-2003 р. (м. Дніпропетровськ, НГУ).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 у спеціалізованих виданнях і 4 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел із 167 найменувань та 3 додатків. Містить 125 сторінок машинописного тексту, 57 малюнків і 9 таблиць. Загальний обсяг дисертації 188 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Витрати на ремонт і підтримку підготовчих виробок на вугільних підприємствах України складають близько 15% сумарних витрат на видобуток вугілля, тому зниження експлуатаційних витрат на підтримку протяжних виробок є резервом зниження собівартості вугілля.

За наявними статистичними даними, погіршення стану внаслідок здимання порід підошви спостерігається у 45% виробок з усього об’єму деформованих виробок на вугільних шахтах України. Пошук ефективних засобів протидії здиманню нерозривно пов'язаний із дослідженням закономірностей цього складного за своєю природою явища, особливо за умов складноструктурного масиву, що має певні особливості будови.

Аналіз стану протяжних виробок шахт ДП “Добропіллявугілля” показав, що здимання є найбільш характерним і розповсюдженим видом проявів гірського тиску.

Покрівля пласта , що розробляється на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”, має особливість геологічної будови, котра ускладнює умови ведення гірничих робіт – це потужний (місцями до 22,0 м) шар міцного піщанику. У капітальних виробках, котрі проведені по пласту , величина здимання підошви така, що роботи з підривки проводяться неодноразово протягом року на середню величину до 0,8 м за кожну підривку.

Для вивчення характеру розвитку здимання підошви були проведені спостереження на контурних реперних станціях у виробці, що пройдена під шаром міцної породи в умовах шахти “Білозерська”. Аналіз результатів цих спостережень дозволив виділити кілька часових проміжків, у яких спостерігалася різна інтенсивність і величина здимання у виробці (рис. 1). Характерно, що в період з 8 по 11 добу (усього за три доби) інтенсивність зсувів підошви різко (у 1,4 рази) зростала і була найбільшою. Тобто, початок здимання підошви відповідє різкому ростові інтенсивності зсувів контуру виробки.

Рис. 1. Інтенсивність зсувів контуру бремсберга за результатами натурних спостережень

Ці результати цілком погоджуються з достатньою кількістю наявних у літературі даних про подібні інструментальні спостереження, що дають таку ж якісну картину розвитку процесу здимання порід підошви підземних виробок.

З метою вивчення характеру деформування масиву під час здимання її підошви, при наявності в належній товщі шару міцної породи різної потужності, були проведені лабораторні дослідження із залученням еквівалентних матеріалів. Моделювалася гірничо-геологічна ситуація відповідно до виробок, що проведені по пласту . Усього було випробувано 42 структурно однорідні і неоднорідні моделі.

У ході експериментів установлено, що при деякій величині зовнішнього навантаження, котра є різною в кожній серії випробувань, у підошві виробки, що моделюється, завжди виникала характерна тріщина, після чого зсуви підошви нелінійно збільшувалися у всіх серіях дослідів, хоча зовнішнє навантаження при цьому зростало рівномірно.

Аналіз графіків, що характеризують швидкості збільшення величини зсувів підошви виробки, що моделюється, в залежності від зміни величини зовнішнього навантаження (рис. 2) дозволяє виділити три явно виражені зони: I – нульових зсувів, що відповідає початковому етапові навантаження моделей, коли яких-небудь видимих переміщень контуру не зафіксовано; II – видимих зсувів (розвиток зони розпушення навколо виробки); III – інтенсивних зсувів (виникнення здимання підошви).

Рис. 2. Залежності швидкостей збільшень зсувів у підошві від зміни зовнішнього навантаження при різній потужності міцного шару в покрівлі (результати фізичного моделювання)

Перехід із зони II у зону III характеризується різким ростом швидкості і величини зсувів контуру підошви, тобто момент утворення тріщини можна розглядати як початок здимання підошви у виробці.

Загальні особливості процесу деформування всіх моделей – утворення тріщини; різке зростання швидкості і величини зсувів з моменту її утворення при рівномірному зростанні навантаження – добре погодяться з фізичною моделлю здимання, запропонованою проф. О.М. Шашенком на основі біфуркаційного підходу, відповідно до якого явище спучування розглядається як втрата пружнопластичної стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив” і супроводжується збуренням контуру виробки. При цьому невеликим збільшенням зовнішнього навантаження відповідає істотне зростання величини зсувів і різке збільшення їх швидкості в порівнянні зі станом, що передує моментові збурення контуру.

Установлено, що момент настання втрати стійкості підошви має прямо пропорційну, а інтенсивність здимання – зворотньо пропорційну залежність від потужності міцного шару, розташованого в основній покрівлі виробки.

Для одержання кількісних оцінок параметрів досліджуваного явища був використаний чисельний метод скінчених елементів (МСЕ). Урахування ефектів разміцнення і розпушення, характерних для порід, що деформуються навколо виробки, викликає серйозні математичні складності при застосуванні стандартної процедури МСЕ: спостерігається виродженість системи рівнянь у вузлах, що належать зоні розпушення, внаслідок наявності неодиничності рішення крайової задачі. У результаті стандартний обчислювальний процес не може продовжуватися.

З метою зняття цих обмежень розроблений чисельний алгоритм, основна ідея якого полягає в тому, щоб спадаючу ділянку повної діаграми деформування трактувати не як частину діаграми, а як деяке геометричне місце точок, що описують граничні пружні стани матеріалу при досягнутих деформаціях.

Для реалізації алгоритму використовується ідеалізована діаграма одноосьового стиску “”, що складається з двох ділянок (рис. 3) – прямолінійного, де матеріал підкоряється законові Гука, і спадаючого, котрий описується деякою функцією

. (1)

Рис. 3. Схема до обґрунтування процедури чисельного дослідження НДС у зоні породного масиву, що разміцнюється

У кожній точці спадаючої ділянки діаграми коефіцієнт Пуассона приймає значення, досить близьке до 0,5. Передбачається також, що розвантаження і повторне навантаження відбуваються за прямою лінією, рівнобіжною початковій пружній ділянці, що визначає досягнуту залишкову деформацію .

Задача вирішується покроково. Припустимо, що в ході чисельного пружного вирішення на деякому кроці навантаження в якомусь скінченому елементі досягнуте напруження (рис. , т. А). Щоб повернутися на спадаючу ділянку, у точці визначаються відповідні досягнутої деформації напруження за формулою (1), величина яких буде новим граничним значенням міцності матеріалу на кривій граничного пружного стану, а розглянута область придбає залишкову деформацію .

Далі описаний алгоритм застосовується до всіх інших елементів, у яких значення напружень перевищує граничне. Сукупність всіх таких елементів, утворить шукану зону розпушення. Кожна точка інтегрування усередині кожного з цих елементів знаходиться на своїй частині спадаючої ділянки діаграми деформування і має свою поточну межу міцності.

Для випадку багатоосьового напруженого стану замість нормальних компонентів тензорів напружень і деформацій використовуються їхні девіатори та уводиться міра еквівалентних напружень, що у цій роботі прийнята у вигляді наступного критерію міцності:

, (2)

де і – найбільші і найменші головні значення тензора напружень у даній точці інтегрування усередині елементів на деякому кроці рішення; , , – граничні значення міцності при розтяганні і при стиску; і - кульові частини відповідних тензорів.

Щоб відбити явища, пов'язані зі збільшенням об’єму в зоні розпушення, змінюється значення кульової складової тензора деформацій за формулою

,

де – поточне граничне значення міцності, а – кінцеве граничне значення міцності при максимальному значенні кульової складової . У результаті такого підходу вирішення призводить до значного збільшення компонентів вектора переміщень навколо виробки, що відповідає реальній картині досліджуваного явища.

Порівняння відомого аналітичного рішення з чисельним рішенням тестової задачі показало досить добру їх відповідність (віріація складає 1,7-13,9%).

Установлено, що розкид результатів, який не перевищує 1%, досягається під час виконання чисельного покрокового рішення за даним алгоритмом у тому разі, коли інкремент зовнішнього навантаження дорівнює 1/20 від його максимального значення.

Результат, отриманий за даним алгоритмом (розміри зони розпушення ), перевірявся на відповідність критерієві спучування, прийнятому у вигляді коефіцієнта стійкості:

, (3)

де – критичний радіус зони непружних деформацій, приведений до радіуса виробки, що відповідає глибині закладення, з якої відбудеться спучування підошви.

Виконання цієї умови говорить про початок збуреного процесу (тобто здимання) та, відповідно, про початок чисельного етапу його дослідження.

Порівняння величин переміщень підошви на момент втрати її стійкості, отриманих при фізичному і чисельному моделюванні реальної геомеханічної ситуації, з величиною переміщень підошви, що мала місце при натурних вимірах, показує досить добру їх відповідність (рис. 4): розкид лабораторних і натурних результатів становить від 16,9 до 28,2%, чисельних і натурних – 10,2%. Це вказує на коректність результатів фізичного і чисельного моделювання.

Для виконання етапу дослідження збуреного процесу була розроблена і вперше застосована механічна модель, відповідно до якої збурений процес моделювався тим, що на контурі підошви задавалися нові граничні умови в переміщеннях і форма підошви виробки представлялася косинусоідою вигляду , де d – константа, яка визначається відповідно до конкретних гірничо-геологічних умов. Максимальне значення нових переміщень на контурі підошви задавалося по центру виробки на величину , так званого “закритичного підняття”.

Рис. 4. Порівняння результатів лабораторного і чисельного моделювання та натурних вимірів (величина зсувів підошви на момент утрати її стійкості)

Величина залежить від конкретних гірничо-геологічних умов проведення виробки і приймається на основі реальних залежностей , типовий вигляд яких приведений на рис. 5, де виділено три характерні часові інтервали: – період реалізації пружнопластичних переміщень, – період активного розвитку процесу спучування порід підошви і – період пасивного розвитку процесу здимання.

Кожному часовому інтервалові = відповідає своя величина закритичних переміщень , послідовне завдання яких є, по суті, моделювання розвитку процесу здимання в часі. При цьому здимання, що має безперервний часовий характер, розглядається тут як дискретний квазистатичний у розглянутий момент часу процес.

Рис. 5. Механічна модель процесу здимання, прийнята під час чисельних досліджень: uepd – приріст переміщень після етапу пружнопластичного рішення; upcd – величина закритичного підняття контуру підошви

У ході чисельних експериментів варіювалася відстань від підошви виробки до шару міцної породи в покрівлі, потужність цього шару, а також відстань до міцного шару в підошві.

Аналіз незбуреного процесу (пружнопластичне деформування) показує (рис. 6), що граничні розміри зони розпушення, досягнуті на момент втрати стійкості, нелінійно залежать як від відстані до міцного шару, так і від його потужності. При цьому визначено, що при відстанях до міцного шару в покрівлі і підошві, що дорівнюють 21,0 м, і потужності міцного шару в покрівлі, що дорівнює 18,0 м, вплив цього шару на процес втрати стійкості перестає позначатися.

Таким чином, можна стверджувати, що у формуванні напружено-деформованого стану масиву навколо одиночної виробки поза зоною впливу очисних робіт, що містить шари, котрі істотно відрізняються за міцністю, беруть участь породи, розташовані на відстанях до 8,75R0 від контуру виробки, де R0 – її напівпроліт.

Рис. 6. Залежності граничних розмірів зони непружних деформацій від відстані до шару міцної породи в покрівлі (а), потужності шару міцної породи в покрівлі (б) і відстані до шару міцної породи в підошві (в)

Вплив шаруватості масиву на розподіл напружень навколо виробки викликає необхідність модифікації критерію спучування (3) для того, щоб він враховував цей вплив, а також розходження в міцносних параметрах шарів, котрі складають масив. Як основа для модифікації критерію (3) була прийнята величина середньозваженої міцності масиву , яка визначалася за методикою, що викладена у роботах Н.О. Суворова, М.І. Чугая, В.В. Назимка.

Визначений за вказаною методикою, показник враховує не тільки різну міцність шарів, але і внесок кожного з них у залежності від відстані до виробки.

З використанням величини отримано коефіцієнт шаруватості, що відбиває вплив шаруватості масиву на формування зони розпушення:

,

При цьому шуканий критерій спучування, що враховує шаруватість масиву і міцність його шарів при прогнозуванні можливості спучування підошви в одиночній виробці, матиме вигляд:

,

де – критичний відносний радіус зони непружних деформацій для нешаруватого масиву; – відносний радіус зони непружних деформацій з урахуванням шаруватості масиву.

Очевидно, що при зміні місця закладання виробки щодо шарів порід буде змінюватися величина і, відповідно, величина . Тобто, можна розташувати виробку в такий спосіб, щоб , тобто не наставала втрата стійкості підошви.

Рис.7. Залежність розмірів зони непружних деформацій від величини закритичного підняття в підошві (для =4,0 м та =12,0 м)

Аналіз збуреного процесу показує (рис. ), що при величині закритичного підняття підошви, рівної 0,3 м, настає стабілізація розмірів зони непружних деформацій і подальше зростання закритичних переміщень не відбивається на її розмірах. Характерно, що ця обставина не залежить від ситуації розташування виробки, тобто від величини .

Побудовано номограму, що дозволяє визначити, чи відбудеться спучування підошви у виробці, розташованої в шаруватому тріщинуватому масиві поза зоною впливу очисних робіт, і розроблено методику визначення раціонального місця закладення одиночної капітальної виробки, що розташована в шаруватому масиві поза зоною впливу лави в умовах здимання порід підошви.

Результати викладених досліджень були використані під час спорудження бремсберга №3 пласта гор. 550 м на шахті “Білозерська”. При цьому величина і швидкість зсуву порід підошви зменшилися в 1,5 – 2,0 рази, а частота й обсяги підривок – у 1,5 рази. Очікуваний економічний ефект складе більш 275 тис. грн. на рік на 1000 п.м. виробки.

висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей втрати пружнопластичної стійкості підошви протяжної виробки вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення стійкості капітальних виробок із підошвою, що здимається, розташованих поза зоною впливу очисного простору у складноструктурному шаруватому масиві.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Проведено візуальне обстеження стану протяжних виробок шахт ДП “Добропіллявугілля”, під час якого з’ясовано, що здимання є одним з основних видів прояву гірського тиску. Інструментальні дослідження цього явища виявили його складний характер, який дозволяє розглядати здимання як втрату стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив”.

2. Доведено на лабораторних моделях, що момент настання втрати стійкості підошви має прямо пропорційну, а інтенсивність здимання – зворотньо пропорційну залежність від потужності міцного шару в основній покрівлі виробки.

3. Вперше застосований для вирішення чисельної пружнопластичної задачі про НДС приконтурного порідного масиву феноменологічний підхід, що враховує нелінійні ефекти поводження матеріалу, який відрізняється тим, що під час вирішення додаткові (непружні) деформації підсумовуються і кульова складова тензору деформацій змінюється таким чином, що на останньому кроці вирішення одержуються значні переміщення на контурі виробки, що моделюється, що відбивають картину переміщень на контурі реальної виробки.

4. Вперше виконане вирішення чисельної задачі дослідження збуреного процесу втрати стійкості геомеханічної системи “виробка-породний масив” із використанням механічної моделі явища здимання порід підошви, що імітує розвиток процесу в часі та розглядає здимання, що має безперервний часовий характер, як дискретний квазістатичний процес.

5. Вперше розроблена математична модель, що дозволяє дослідити позакритичний стан приконтурного породного масиву навколо одиночної виробки у процесі підняття порід підошви.

6. Встановлено, що при виконанні чисельних розрахунків НДС порідного масиву біля одиночної виробки з використанням покрокової процедури МСЕ збіжність рішення досягається, якщо інкремент величини зовнішнього навантаження дорівнює від максимального заданого значення. Така відносно мала величина інкременту виключає необхідність застосування ітераційних процедур, не знижуючи при цьому достатню точність одержуваного результату.

7. Встановлено, що у формуванні напружено-деформованого стану шаруватого масиву навколо одиночної виробки поза зоною впливу очисних робіт, який містить шари, що істотно відрізняються за міцістю, беруть участь породи, розташовані на відстанях до 8,75R0 від контуру виробки, де R0 – її напівпроліт.

8. Модифіковано критерій спучування для випадку шаруватого масиву, що містить шари порід, котрі істотно відрізняються за своїми фізико-механічними властивостями, який забезпечує можливість урахування впливу як міцності кожного шару, так і його відстані до виробки. Розроблена методика і побудована номограма, що дозволяють оцінити можливість спучування підошви протяжної виробки при даному її місці розташування.

9. Результати досліджень були використані під час спорудження бремсберга №3 пл. l8 гор. 550 м на шахті “Білозерська” ДП “Добропіллявугілля”, при цьому частота й обсяги підривки порід підошви знизилися в 1,5 рази, а величина та швидкість зсувів порід – у 1,5-2,0 раза, що свідчить про підвищення загальної стійкості виробки. Очікуваний економічний ефект складає більш ніж 275 тис. грн. у рік на 1000 п.м. виробки.

Список опублікованих праць здобувача за темою

дисертації

1. Проблемы устойчивости подготовительных выработок на шахте “Белозерская” ГХК “Добропольеуголь” / Гапеев С.Н., Кужель С.В., Панибратченко В.Ф., Хозяйкина Н.В., Григорьев А.Е. // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-геологічна.– Донецьк: ДонНТУ, 2002.– Вип. .– С.137-142.

2. Гапеев С.Н. К вопросу исследования пучения почвы протяженных выработок // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ, 2002.– Вип. ).– С.51-52.

3. Гапеев С.Н., Шашенко А.Н., Янко В.И. Численное моделирование процесса потери упругопластической устойчивости породного массива в окрестности одиночной выработки // Сб. науч. тр. НГУ.– Днепропетровск: РИК НГУ, 2002.– №15.– т. 1.– С.29-34.

4. Гапеев С.Н., Борщевский С.В., Масленников Е.В. Моделирование процесса пучения пород почвы выработок, расположенных в сложноструктурном массиве // Наукові праці ДонНТУ. Серія: гірничо-геологічна.– Донецьк: Дон-НТУ, 2003.– Вип. .– С.97-102.

5. Гапеев С.Н. Исследование процесса пучения почвы протяженной выработки лабораторными и численными методами // Сб. науч. тр. НГУ.– Днепропетровск: РИК НГУ, 2003.– №17.– т. 1.– С.350-355.

6. Гапеев С.Н., Кужель С.В., Мартыненко С.В. Изучение деформаций крепи и массива, вмещающего протяженные горные выработки, на шахтах ГП “Добропольеуголь” // Разработка рудных месторождений. Науч.-техн. сб.– Кривой Рог: Изд-во КТУ, 2004.– Вып. 85.– С.181-185.

7. Гапеев С.Н., Рязанцев А.П., Лозовский С.П. Компьютерное моделирование процесса пучения пород почвы в подготовительных выработках // ГИАБ.– М: Изд-во МГГУ, 2003.– №10.– С.99-101.

8. Гапеев С.Н. Исследование процесса потери упругопластической устойчивости массива в окрестности одиночной выработки численными методами // Изв. Тульского государственного университета. Серия: “Геомеханика. Механика подземных сооружений”.– Тула: Изд-во ТГУ, 2003.– Вып. 1.– С.65-69.

9. Гапеев С.Н. Численное упругопластическое решение задачи о равновесии приконтурного массива вокруг одиночной выработки // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф.– Донецк: “Норд-пресс”, 2003.– С.17.

10. Гапеев С.Н., Шашенко А.Н. Математическая модель процесса потери упругопластической устойчивости породного массива в окрестности одиночной выработки // Гірничовидобувна промисловість України і Польщі: актуальні проблеми і перспективи: Матеріали Українсько-Польського форуму гірників – .– Дніпропетровськ: НГУ, 2004.– С.75-80.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1,6] – формулювання основних задач, виконання спостережень у шахтних умовах, аналіз результатів; [3, 8] – розробка методики і проведення чисельних досліджень; [4] – розробка методики, виконання та аналіз результатів лабораторних досліджень; [10] – розробка механічної моделі та аналіз результатів чисельних експериментів.

анотація

Гапєєв С.М. Закономірності втрати пружнопластичної стійкості складноструктурного масиву навколо одиночної виробки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.

У дисертаційній роботі викладені результати дослідження змін напружено-деформованого стану підошви, що здимається, у протяжній виробці, розташованій поза зоною впливу очисних робіт у складноструктурному масиві, який містить шар міцної породи у товщі, яка залягає вище, при втраті її пружнопластичної стійкості.

На основі натурних та лабораторних експериментів розроблена механічна модель явища здимання, яка використана під час чисельних експериментів по методу скінчених елементів, що розглядає здимання, яке має безперервний часовий характер, як дискретний квазистатичний процес.

Чисельне моделювання проводилося на основі феноменологічного підходу, що враховує ефекти разміцнення і розпушення в зоні непружних деформацій. При цьому визначені параметри виконання чисельної покрокової процедури, при яких забезпечується збіжність рішення.

На основі встановлених закономірностей розвитку процесу втрати стійкості підошви виробки в шаруватому масиві, що має складну структуру, побудована номограма та модифікований існуючий аналітичний критерій спучування для випадку шаруватого масиву.

Ключові слова: здимання підошви, складноструктурний масив, шар міцної породи, втрата стійкості підошви, крива граничних станів, чисельна процедура, середньозважена міцність, критерій спучування шаруватого масиву.

аннотация

Гапеев С.Н. Закономерности потери упругопластической устойчивости сложноструктурного массива в окрестности одиночной выработки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – “Механика грунтов и горных пород”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2004.

В диссертационной работе изложены результаты исследования изменений напряженно-деформированного состояния пучащей почвы протяженной выработки, расположенной вне зоны влияния очистных работ в сложноструктурном массиве, содержащем слой крепкой породы в вышележащей толще, при потере ее упругопластической устойчивости.

В ходе визуального обследования состояния протяженных выработок ряда шахт ГП “Добропольеуголь” в качестве объекта исследований выбраны выработки шахты “Белозерская”, которая определена как базовое предприятие.

Натурные инструментальные наблюдения и лабораторные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов позволили обосновано подходить к изучению пучения с позиций исследования потери упругопластической устойчивости почвы протяженной выработки. На основе полученных результатов разработана механическая модель процесса пучения, используемая в ходе численных экспериментов по методу конечных элементов (МКЭ), рассматривающая пучение, имеющее непрерывный временной характер, как дискретный квазистатический процесс.

Численное моделирование потери упругопластической устойчивости почвы проводилось в два этапа. При этом применялся алгоритм, разработанный на основе феноменологического подхода, учитывающего эффекты разупрочнения и разрыхления в зоне неупругих деформаций, формирующейся вокруг выработки в породном массиве. Суть подхода заключается в том, чтобы ниспадающий участок полной диаграммы деформирования, полученной при испытаниях породных образцов на сжатие на “жестких” прессах, трактовать не как часть диаграммы, а как некоторое геометрическое место точек, описывающих предельные упругие состояния материала при достигнутых деформациях. Такой подход позволяет при решении упругопластической задачи (исследование невозмущенного процесса) получать на контуре выработки величины перемещений, достаточно близкие к существующим в реальной выработке.

Установлены параметры выполнения численной пошаговой процедуры МКЭ, обеспечивающие сходимость решения.

В ходе численного исследования невозмущенного процесса (этап упругопластического деформирования) установлено, что предельные размеры зоны разрыхления, достигнутые к моменту потери устойчивости, нелинейно зависят как от расстояния до крепкого слоя, так и от его мощности. При этом определены граничные величины мощности слоя крепкой породы в кровле и расстояния между выработкой и этим слоем, при которых его влияние на потерю устойчивости почвы выработки перестает сказываться.

Анализ возмущенного процесса (этап вспучивания) показывает, что при величине закритического поднятия почвы, равной 0,3 м, наступает стабилизация размеров зоны неупругих деформаций. Причем, это обстоятельство не зависит от геомеханической ситуации, в которой расположена выработка.

На основе полученных закономерностей потери устойчивости почвы выработки в слоистом сложноструктурном массиве модифицирован для случая слоистого массива существующий аналитический критерий вспучивания и построена номограмма для определения возможности вспучивания в условиях, сходных с условиями по пласту шахты “Белозерская”.

Результаты исследований использованы в условиях базового предприятия при проведении бремсберга №3 пл. гор. 550 м.

Ключевые слова: пучение почвы, сложноструктурный массив, слой крепкой породы, потеря устойчивости почвы, кривая предельных состояний, численная процедура, средневзвешенная прочность, критерий вспучивания слоистого массива.

The summary

Gapeev S.N. The regularities of a loss of elasto-plastic sustainability of a massif having composite structure in a neighbourhood of a single mine working.– Manuscript.

Dissertation on obtaining scientific degree of Candidate of Technical Science. Specialty 05.15.09 – Rock and Ground Mechanics. National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk 2004.

In dissertation the outcomes of exploration of modifications of a state of tense-strain of a roadway floor, which one heaves up, of extended mine working located outside of a working area of an extraction influence in an massif, which one has composite structure and containing a rockhead are explained, at loss of her elasto-plastic sustainability.

On a base of full-scale and laboratory experiments the mechanical model of process of a floor heaving a designed. This sample piece utilised during numerical experiments by a finite element method, considers roadway floor heaving, which has continuous temporal character, as discretic quasistatic process.

The numerical modeling was carried out on a base of the phenomenological approach which is taking into account effects of a strength reduction and a loosening in a zone of inelastic deformations in a neighbourhood of a mine working. At the same time such parameters of accomplishment of numerical step by step procedure are defined, at which convergence of the solution is ensured.

On a base of the established regularitys of a loss of elasto-plastic sustainability of roadway floor in the laminated massif having the composite structure, the nomograph is constructed and the existing analytical criterion of a buckling for a case of a laminated massif is updated.

Keywords: a floor heaving of a mine working, massif having composite structure, a rockhead, losses of sustainability of roadway floor, a curve of the limiting elastic conditions, numerical procedure, weighted-mean strength, criterion of a buckling of a laminated massif.