Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

БАБЕЦЬ Дмитро Володимирович

УДК [622.261 – 1123:622.281]:519.25

ОЦІНКА СТІЙКОСТІ ПІДЗЕМНИХ ПРОТЯЖНИХ ВИРОБОК, ЩО ПРОВЕДЕНІ В НЕОДНОРІДНОМУ ПОРОДНОМУ МАСИВІ, НА ОСНОВІ БАГАТОФАКТОРНОГО АНАЛІЗУ

Спеціальність 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Сдвижкова Олена Олександрівна,

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

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Паламарчук Тетяна Андріївна,

провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор

Петренко Володимир Дмитрович

завідувач кафедри тунелей, основ та фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України.

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій.

Захист відбудеться “ 16 ” червня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 15 ” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугільна галузь грає важливу роль у вітчизняній економіці, оскільки вугілля – енергоносій, який в достатній кількості є на території України. В умовах ринкових відносин особливу актуальність набуває пошук раціональних рішень на всіх етапах гірничого виробництва. Зокрема, однією з важливих проблем є раціоналізація витрат на підтримку гірничих виробок. Із збільшенням глибини розробки, залученням в розробку пластів, що прилягають до раніше відпрацьованих шахтних полів і т.д., підготовчі та капітальні виробки відчувають інтенсивний вплив гірського тиску, що призводить до руйнування кріплення виробок і втрати експлуатаційної стійкості.

Незважаючи на значні об'єми трудомістких ремонтно-відновних робіт в цілому по шахтах України понад 15% підготовчих виробок знаходяться в незадовільному стані. Цей факт обумовлений різними причинами, одна з яких – мала ефективність засобів підтримки і охорони, недостатня обґрунтованість яких, в свою чергу, пов'язана з відсутністю достатньо об'єктивного прогнозу стану виробок. Підвищення стійкості гірничих виробок можливе лише за умови точної оцінки геомеханічної ситуації, в якій ці виробки функціонують, з урахуванням впливу найбільшої кількості як закономірних, так і випадкових чинників. Випадковий характер прояву гірського тиску пов'язаний з неоднорідністю гірських порід. Неврахування стохастичної складової поведінки породного масиву робить прогноз його стану не адекватним реальності.

Таким чином, дослідження впливу на стан породного масиву неоднорідності гірських порід, яка виявляється в стохастичному розкиді їх властивостей, розробка методики урахування впливу випадкових чинників при оцінці стійкості виробки є актуальною науково-технічною задачею.

Науковою задачею роботи є встановлення закономірностей формування поля напружень і переміщень в неоднорідному породному масиві з урахуванням стохастичної мінливості його деформаційних і міцнісних властивостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України згідно пріоритетному напряму розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” за держбюджетними темами ГП-290 (№ держреєстрації 0102U003022), ГП-321(№ держреєстрації 0103U001292) і ГП-338 (№ держреєстрації 0104U000780) в Національному гірничому університеті.

Метою досліджень є розробка методики оцінки стійкості гірничих виробок, що дозволяє врахувати на основі багатофакторного аналізу неоднорідність породного масиву, яка виявляється в стохастичному розкиді властивостей вміщуючих порід, що дозволяє підвищити надійність проектування підземної споруди.

Основна ідея полягає у використанні імітаційного моделювання в поєднанні з методами механіки суцільного середовища для визначення напружено-деформованого стану породного масиву з урахуванням стохастичного розкиду властивостей гірських порід.

Об'єктом досліджень є неоднорідний тріщинуватий породний масив, що вміщує протяжні гірничі виробки.

Предметом досліджень є характеристики напружено-деформованого стану породного масиву з випадково розподіленими властивостями.

Основні задачі досліджень включають:

- збір і аналіз статистичних даних про мінливість основних деформаційних і міцнісних характеристик гірських порід;

- дослідження впливу макродефектів на статистичні характеристики і розподіл імовірностей властивостей порід;

- розробка алгоритму математичного моделювання стохастичного розподілу властивостей порід при визначенні напружено-деформованого стану породного масиву;

- дослідження впливу мінливості властивостей гірських порід на напружено-деформований стан породного масиву навколо виробки;

- розробка методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід, який містить статистичні методи обробки даних, математичне моделювання з застосуванням чисельних методів механіки суцільного середовища, методів імітаційного моделювання, статистичної ідентифікації і регресійного аналізу, зіставлення результатів обчислювального експерименту з даними натурних спостережень.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Наявність макродефектів визначає закон розподілу ймовірностей кількісних ознак, які характеризують властивості гірських порід, причому параметри розподілу нелінійно залежать від відстані між тріщинами, урахування чого дозволяє адекватно моделювати стохастичний розкид властивостей гірських порід і підвищити достовірність геомеханічних розрахунків.

2. Урахування стохастичної мінливості властивостей реального породного середовища в порівнянні з детермінованим при математичному моделюванні геомеханічних ситуацій обумовлює, в залежності від варіації основних деформаційних і міцнісних характеристик, збільшення на 30-40% розмірів зон руйнування в масиві та величини зміщень контуру виробки, що дозволяє планувати відповідні інженерні заходи для забезпечення її стійкості.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблений новий алгоритм урахування в геомеханічних розрахунках неоднорідності породного масиву на мікро- і мезо-рівні, заснований на поєднанні методу скінчених елементів і прийомів імітаційного моделювання, що дозволяє безпосередньо в розрахунковій схемі відобразити стохастичний розкид властивостей гірських порід.

2. Встановлена залежність моментів статистичних розподілів властивостей гірських порід від ступеня тріщинуватості породного масиву, що дозволяє із заданою ймовірністю генерувати випадкові значення вихідних даних при моделюванні неоднорідності середовища.

3. На основі узагальнення результатів обчислювального експерименту вперше встановлена залежність зміщення контуру виробки в неоднорідному середовищі від варіації величин основних фізико-механічних властивостей гірських порід, що дозволяє уточнити раніше отримані рішення геомеханічних задач з урахуванням стохастичної природи вихідних даних.

4. Встановлена залежність відносної варіації зміщення контуру виробки від основних впливаючих чинників, що дозволяє виконати імовірнісну оцінку стійкості виробки і обґрунтувати параметри її кріплення.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей розподілу напружень і переміщень навколо протяжної гірничої виробки, обумовлених просторовою стохастичною мінливістю фізико-механічних властивостей гірських порід.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки, яка дозволяє здійснити вибір параметрів кріплення на основі запропонованого алгоритму багатофакторного аналізу початкових даних з урахуванням їх стохастичної мінливості.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень механіки суцільного середовища, апробованих методів математичного моделювання породного середовища, задовільною (до 85%) збіжністю результатів аналітичних і натурних досліджень щодо зміщень контурів підготовчих виробок.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, задач досліджень, наукових положень, в розробці алгоритму моделювання об'єкту досліджень, у виконанні і аналізі результатів теоретичних розрахунків, розробці методики оцінки стійкості протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід, у формуванні висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на наукових семінарах і конференціях кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки НГУ (2002-2006), міжнародній конференції “Форум гірників” (Дніпропетровськ, НГУ, 2005), міжнародній конференції “Тиждень гірника” (Москва, МДГУ, Росія, 2001, 2003-2004), міжнародній конференції “MIOCEN” (Прага, Чехія, 2005), міжнародній конференції “Проблеми геомеханіки і механіки підземних споруд” (Тула, Росія, ТДУ, 2003).

Публікації. За результатами виконаних в дисертації досліджень опубліковані 14 наукових праць, у тому числі 7 у фахових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 7 – у збірках матеріалів конференцій.

Структура й обсяг. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 98 найменувань і додатків. Вона містить 124 сторінки машинописного тексту, 48 рисунків і 20 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 168 сторінок.

Основний зміст роботи

Оцінка стану виробок і прогноз поведінки вміщуючих порід протягом її експлуатації вимагає розгляду конкретної геомеханічної ситуації, яка дуже часто не має аналогів в схожих умовах. В цьому випадку не можна екстраполювати накопичені дані спостережень і використовувати існуючий досвід, в більшості випадків умови проведення і підтримки виробок слід розглядати як специфічні, і виконувати прогноз стану підземної споруди на основі глибокого детального геомеханічного моніторингу.

Його складовими частинами є контроль стану породного масиву і прогнозування можливих змін цього стану на основі фундаментальних законів фізики, а також відомих методів механіки твердого тіла, що деформується. В цій області досягнуті значні успіхи завдяки роботам В.В. Віноградова, Б.М. Усаченка, Л.В.Новікової, Т.А. Паламарчук, В.Д. Петренка і ін. Проте часто за межами досліджень залишається стохастичний характер функціонування підземної споруди. Ймовірносно-статистичний підхід до рішення задач геомеханіки розвивається в працях Л.Я. Парчевського, О.М. Шашенка, Г.Т.Рубця, О.О. Сдвижкової.

Стійкість підземної виробки визначається низкою факторів, чисельні характеристики яких можуть змінюватись випадковим чином. До них відносяться, перш за все, деформаційні і міцнісні характеристики гірських порід, параметри, що характеризують зовнішні навантаження, геомеханічні параметри підземних конструкцій.

Мінливість фізико-механічних характеристик породного середовища є наслідком її природної неоднорідності і спостерігається навіть в межах однієї літологічної різності при випробуванні зразків гірських порід.

В дисертації зібраний і узагальнений великий обсяг статистичної інформації, що міститься в різних джерелах, щодо кількісних оцінок фізико-механічних властивостей вуглевміщуючих порід.

Статистичний аналіз даних про основні деформаційні і міцнісні характеристиках гірських порід дозволив встановити наступні тенденції:

- показники властивостей досліджуваних гірських порід мають значну (не нижче 45%) варіацію значень відносно середнього;

- відповідні емпіричні закони розподілу мають, в основному, характер, який за асиметрією і ексцесом відрізняється від нормального.

Мінливість властивостей гірських порід залежить від великої кількості факторів. Однією з основних серед них є наявність тріщинуватості, яка з різних причин, завжди властива породному масиву. У зв'язку з цим була звернута увага на такий факт. При виготовленні породних зразків ті з них, які перетнуті тріщиною, руйнуються до початку випробувань і таким чином не беруть в них участь. Тим самим порушується уявлення про міцність і деформацію реального породного масиву.

В роботі обґрунтований спосіб визначення статистичних характеристик для так званого, “виправленого” варіаційного ряду, в який умовно додані елементи, що містять макродефекти.

З урахуванням наявності систем тріщин початкові моменти розподілу приймають вигляд:

, (1)

де - коефіцієнт впливу тріщин;

– значення ознаки, що спостерігається;

– частота;

lm – середня відстань між тріщинами;

l0 – характерний розмір зразка;

– функція, що враховує ступінь порушеності дефектного зразка.

З початковими моментами розподілу відомими співвідношеннями пов'язані центральні моменти , які визначають дисперсію , відносну варіацію розподілу , а також нормовані показники асиметрії і ексцесу . З урахуванням систем тріщин, тобто з урахуванням умовного додавання у виробку порушених елементів, показники розкиду набувають вигляду:

. (2)

Тут - відносна варіація значень деформаційної або міцністної характеристики для початкової вибірки, що отримана безпосередньо при випробуванні зразків. Показники асиметрії і ексцесу також змінюються з урахуванням систем тріщин:

, , (3)

де .

З графіків на рис. 1 видно, що зі зменшенням відстані між тріщинами значення асиметрії і ексцесу збільшуються. Точки з координатами () на графіку Пірсона (рис. 2) зі збільшенням щільності тріщин все більше віддаляються від точки, що відповідає нормальному закону, наближаючись до гамма-розподілу, розподілу Вейбула і логарифмічно нормального розподілу.

Рис. 1. Залежність моментів “виправленого ряду” від відстані між тріщинами

Рис. 2. Діаграма Пірсона з точками для статистичних розподілів, в які умовно внесені елементи з макродефектами: ? – точки, які відповідають вихідному ряду із співвідношенням початкових моментів =2; ¦ – точки, які відповідають початковому ряду із співвідношенням початкових моментів =3.

Таким чином, встановлено, що наявність тріщин в реальному породному масиві не тільки впливає на статистичні оцінки досліджуваної ознаки, але змінює закон розподілу ймовірностей всіх його механічних параметрів. Причому ступінь відхилення емпіричного закону розподілу від симетричного визначається відстанню між тріщинами.

З урахуванням цього факту, на основі методу скінчених елементів, розроблений алгоритм урахування стохастичної мінливості фізико-механічних властивостей породного масиву. Для відображення випадкового розподілу властивостей в кожній точці масиву використані прийоми імітаційного моделювання, суть якого полягає в проведенні на обчислювальній машині статистичного експерименту з моделлю досліджуваної системи.

В алгоритм МСЕ з використанням методу інверсії включений модуль, який реалізує в кожному скінченому елементі генерацію випадкових значень модуля пружності , коефіцієнта Пуасона і меж міцності на одновісне стиснення і розтягування відповідно до певного закону розподілу.

На першому етапі розрахунків вплив природного розкиду початкових даних досліджувався на моделі пружного середовища. Лінійну деформацію відповідно до закону Гука визначають такі константи як модуль Юнга і коефіцієнт Пуасона. Щоб прослідити вплив варіації цих чинників на переміщення контуру виробки була вибрана найпростіша розрахункова схема – плоский перетин окремої виробки, що деформується під дією гравітаційних сил (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. Скінчено-елементна апроксимація досліджуваної області: а) виробка круглої форми; б) арочної.

Дослідження показали, що переміщення точок контуру в лінійному середовищі з усередненими властивостями на 10-15% менше ніж переміщення цих же точок в середовищі із стохастичним розподілом властивостей . Залежність різниці між величинами зміщень , від варіації модуля пружності і коефіцієнта Пуассона має вигляд монотонно зростаючої функції (рис. 4).

а) б)

Рис. 4. Вплив варіації модуля пружності і коефіцієнта Пуассона на приріст переміщень контуру виробки в лінійному стохастично неоднорідному середовищі: а) виробка круглої форми; б) арочної форми.

Відзначимо, що, в середовищі, яке деформується лінійно, мінливість деформаційних констант не викликає якісної зміни розподілу переміщень точок приконтурного масиву, тому наступним етапом досліджень було рішення задачі про напружено-деформований стан масиву навколо виробки з урахуванням деформації порід за межею міцності. При цьому найважливішим параметром, який визначає розвиток деформаційного процесу, є межа міцності на стиснення.

Мінливість межі міцності, а також одночасна мінливість модуля пружності і коефіцієнта Пуасона викликає мінливість граничної деформації . При цьому утворюється стохастична сукупність кривих “”, які відображають деформаційний процес в різних точках неоднорідного масиву (рис. 5).

Рис. 5. Стохастична сукупність реалізацій діаграми “”

Для побудови спадаючої частини можливих випадкових реалізацій діаграми “” використовується співвідношення:

,

яке є описом закономірної складової загального стохастичного процесу деформування порід за межею міцності.

Для дослідження впливу мінливості властивостей гірських порід на величину переміщень, всі елементи дискретизації області були розподілені на 90 груп. Для кожної з груп в розрахунку генерувалися випадкові значення основних фізико-механічних характеристик і будувалися випадкові діаграми одновісного стиснення “”. Генерація здійснювалася за рівномірним, нормальним і логарифмічно нормальним законами розподілу з різними значеннями коефіцієнтів варіації, які властиві даному механічному параметру.

З рисунків 6 і 7 випливає, що стохастичний розкид властивостей гірських порід істотно впливає на стан приконтурного масиву, зокрема збільшує переміщення породного контуру на 40-50%.

а) б)

Рис. 6. Розподіл переміщень після завершення ітераційного процесу, отриманий з урахуванням розміцнення порід: а) в середовищі з усередненими значеннями властивостей гірських порід; б) в стохастично неоднорідному середовищі з максимальною варіацією модуля пружності, коефіцієнта Пуасона, меж міцності на одновісне стиснення і розтягування.

а) б)

Рис. 7. Переміщення контуру виробки з урахуванням мінливості: а) деформаційних, б) міцнісних характеристик гірських порід.

На рис. 7 лінія 1 – однорідна модель Е=7000 MПa, н=0,25,Rc=25 MПa;

лінії 2, 3, 4 – стохастичні моделі (E и н варіювалися за рівномірним законом з варіацією 30%, 45%, 60%, Rc=const=25 MПa);

5 – стохастична модель (E и н варіювалися за нормальним законом з варіацією 30%, Rc=const=25 MПa);

6 – Е, н = const, межа міцності на одновісне стиснення варіювалися за нормальним законом з варіацією 30 %;

7 - Е, , Rc варіювалися за нормальним законом з варіацією 30 %;

8 - Е, н варіювалися за рівномірним законом з варіацією 60 %, Rc – за нормальним законом з варіацією 30 %;

9 - Е, н варіювалися за рівномірним законом з варіацією 60 %, Rc – за логарифмічно нормальним законом з варіацією 50 %.

Природний розкид основних фізико-механічних характеристик впливає і на розмір зони непружних деформацій навколо виробки. За критерій міцності використана умова Парчевського-Шашенка:

, (4)

де - компоненти тензору напружень, , - відповідно межа міцності на одновісне стиснення і розтягнення.

На рис. 8 зруйновані елементи, в межах яких деформація породи відбувається на рівні залишкової міцності, відзначені більш темним кольором. Різниця між сумарною площею зруйнованих елементів в середовищі з усередненими властивостями і в середовищі з випадково розподіленими властивостями складає 30-35%.

Таким чином, з використанням методів імітаційного моделювання розроблений алгоритм визначення напружено-деформованого стану породного масиву, що деформується за межею міцності з урахуванням стохастичного розкиду фізико-механічних властивостей породного середовища. Даний алгоритм дозволяє з найбільшою адекватністю моделювати різні гірничотехнічні ситуації, що пов'язані з видобутком корисних копалин і підтриманням підземних виробок.

а) б)

Рис. 8. Зона непружних деформацій, отримана в результаті рішення задачі: а) з усередненими значеннями властивостей гірських порід; б) із стохастичним розподілом властивостей.

Очевидним висновком, що випливає з великої кількості варіантів розрахунків, є той факт, що природний стохастичний розкид фізико-механічних характеристик в області масиву, де реалізується прояв гірського тиску, істотно впливає на інтенсивність цього прояву, а саме на величину зміщень контуру виробки, а також на розміри зони непружних деформацій. Причому, істотність цього впливу (до 40-50%) має місце саме у разі функціонування підземної виробки в непружному середовищі, що деформується за межами міцності.

Ступінь впливу стохастичного розкиду властивостей визначається величиною варіації значень кожної з механічних характеристик щодо середнього. Це витікає з тих розрахунків, в яких варіювалися в різному ступені модуль пружності, межі міцності на стиснення і розтягування, коефіцієнт Пуасона.

Для оцінки значущості кожного з перерахованих чинників, а також для практичного використовування встановлених закономірностей результати обчислювального експерименту були узагальнені на основі методу групового урахування аргументів і побудовані прогностичні моделі для величин и .

, (5)

, (6)

де - радіус кривизни криволінійної частини контуру виробки, - довжина прямолінійної частини.

Отримані залежності при підстановці в (7) і (8) дозволяють уточнити ті геомеханічні розрахунки, які виконані без урахування стохастичної неоднорідності породного середовища:

(7)

(8)

На основі багатоваріантних розрахунків отримана залежність варіації переміщень в характерних точках перетину протяжної виробки від варіації властивостей вміщуючих порід:

. (9)

Надалі переміщення контуру виробки в кожному перетині розглядаються як реалізація деякої випадкової функції. В кожному варіанті розрахунку, тобто в кожному перетині виробки, як основна характеристика розглядалося максимальне значення переміщень контуру (рис. 9). Обробка результатів розрахунків дозволила побудувати графік нормованої кореляційної функції для випадкової функції переміщень, яка використовується при оцінці стійкості виробки в цілому по її довжині.

Рис. 9. Сукупність реалізацій випадкової функції та графік нормованої кореляційної функції

Основною величиною при цьому є коефіцієнт стійкості: відношення несучої здатності кріплення до діючого навантаження. Через неоднорідність породного середовища і інших випадкових причин, значення коефіцієнта стійкості за довжиною виробки, також як і зміщення, утворюють випадкову функцію. Виробка стійка на тих ділянках, де коефіцієнт стійкості не опускається нижче заданого граничного рівня (рис. 10). При цьому можливі такі ситуації:

Рис. 10. Імовірнісні моделі стійкості протяжної виробки

1) коефіцієнт стійкості опускається нижче за граничний рівень на деяких ділянках виробки – тут потрібен ремонт кріплення;

2) планується безремонтна підтримка виробки, тобто ні в одному перетині коефіцієнт стійкості не опускається нижче за граничний рівень;

3) планується “практично безремонтна” підтримка виробки, тобто допускається лише окреме зниження коефіцієнта стійкості на малій ділянці виробки.

В даній роботі за основу прийнята модель практично безремонтної підтримки виробки. При цьому ймовірність стійкого стану виробки завдовжки і з середнім значенням коефіцієнта стійкості визначається формулою:

. (10)

При цьому основними початковими величинами є варіація коефіцієнта стійкості , яка, по суті, співпадає з раніше встановленою варіацією переміщень (9), а також параметр апроксимації нормованої кореляційної функції .

Розроблений алгоритм визначення переміщень і зон руйнувань з урахуванням випадково розподілених властивостей порід, спосіб узагальнення варіантів розрахунків для отримання формули (9) і побудова кореляційної функції зміщень, а також залежність (10) в сукупності утворюють методику оцінки стійкості протяжної виробки, яка є основою для вибору типа і визначення параметрів кріплення. Конкретні розрахунки виконані для умов шахти ім. Бажанова для конвеєрного штреку 6-й західної лави. Розрахований запас стійкості дозволяє з ймовірністю прогнозувати безремонтну експлуатацію штреку. Очікуваний економічний ефект за рахунок зменшення обсягів ре-монтних робіт складає 568 тис. грн. на 1000 п.м. виробки.

Рис. 11. Вертикальна конвергенція, що розрахована: 1) за даними спостережень по 10 вимірювальним станціям, які встановлені в конвеєрному штреку 6-ї західної лави шахти ім. Бажанова; 2) за розробленим алгоритмом.

Величини вертикальних конвергенцій (рис. 11), які отримані за натурними спостереженнями (лінія 1) і розраховані за методикою (лінія 2) співпадають на 85-90%, що підтверджує адекватність розробленого алгоритму.

ВИСНОВКи

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей формування поля напружень і переміщень в неоднорідному породному масиві з урахуванням статистичної мінливості його деформаційних і міцнісних властивостей вирішена актуальна задача оцінки стійкості протяжної підземної виробки на основі багатофакторного аналізу, з метою підвищення надійності її експлуатації.

Основні наукові і практичні результати роботи.

1. На основі аналізу статистичних сукупностей фізико-механічних характеристик гірських порід встановлено, що:

­ міцнісні і деформаційні властивості середовища мають істотну (не нижче 45%) мінливість навіть в межах однієї і тієї ж літологічної різниці;

­ наявність тріщин змінює всі статистичні оцінки властивостей порід і впливає на закон розподілу їх ймовірностей, причому показники асиметрії і ексцесу емпіричних розподілів нелінійно залежать від відстані між тріщинами.

2. Виходячи зі встановлених закономірностей імовірнісного розподілу властивостей гірських порід, розроблені принципи імітаційного моделювання стохастичної неоднорідності породного масиву і розроблений алгоритм визначення його напружено-деформованого стану навколо виробок з урахуванням мінливості основних деформаційних і міцнісних характеристик, що підвищує вірогідність геомеханічних розрахунків.

3. Розрахунками за розробленим алгоритмом встановлено, що неоднорідність породного масиву, яка виявляється в природному розкиді показників його фізико-механічних властивостей, обумовлює збільшення (в порівнянні з однорідним середовищем) на 30-40% зміщення контуру виробки і розмірів зони руйнувань залежно від величин варіації основних деформаційних і міцнісних характеристик порід (модуля пружності, коефіцієнта Пуасона, меж міцності на одновісне стиснення і розтягування).

4. Модифікований стосовно задач геомеханіки метод групового урахування аргументів, на основі якого узагальнені результати обчислювального експерименту представницького обсягу і отримані узагальнюючі багатофакторні залежності для урахування варіації початкових даних при розрахунку переміщень контуру протяжної виробки і розмірів зон руйнування навколо неї, що дозволило розробити інженерну методику оцінки стійкості протяжної виробки. “Методика визначення зміщень контуру протяжної гірничої виробки і навантаження на її кріплення з урахуванням статистичного розкиду властивостей гірських порід” затверджена інститутом НДІОМШБ, м. Харків.

5. Запропоновано імовірнісну модель стійкості протяжних виробок, яка дозволяє обґрунтувати величину коефіцієнта запасу стійкості, необхідного для практично безремонтної підтримки виробки з відомою ймовірністю. Вірогідність розробленої моделі підтверджується збігом результатів розрахунків величин зміщень з даними натурних спостережень.

6. Виконано прогноз стійкості і вибір параметрів кріплення для умов шахти ім. Бажанова (конвеєрний штрек 6-й західної лави). Очікуваний економічний ефект за рахунок скорочення обсягів ремонтних робіт складає 568 тис. грн. на 1000 п.м. виробки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В. Оценка стоимостных затрат на поддержание горных выработок с привлечением метода группового учета аргументов // Науковий вісник НГАУ- - 2001. -№4. – С. 32-35.

2. Сдвижкова Е.А., Солодянкин А.В., Маслеников Е.В., Бабец Д.В. Анализ теоретических предпосылок для создания системы геомониторинга // Сборник научных трудов Национального горного университета –2002.-№15, том1. – С.43-46.

3. Сдвижкова О.О., Рубець Г.Т., Бабець Д.В. Підбір емпіричних розподілів за даними випробувань гірських порід на міцність // Вісник ЖІТІ – 2003. - №1(24). – С.56-58.

4. Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В. О моделировании стохастического распределения свойств горных пород в геомеханических расчетах // Геотехнічна механіка. – Дніпропетровськ: ІГТМ НАН України.–2002. - Вип. 40. – С.115-119

5. Левит В.В., Бородуля А.А., Бородуля Н.Ф., Бабец Д.В. Исследования и статический анализ геомеханических особенностей условий сооружения сопряжений шахтных стволов Донбасса // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Донецк. – 2004. - № 63. - С. 103-108

6. Шашенко А. Н., Сдвижкова Е. А., Ткач А. А., Солодянкин А. В., Гавриш А. К., Гапеев С. Н., Бабец Д. В. Использование численных методов в некоторых задачах геомеханики // История кафедры строительных геотехнологий и геомеханики Национального горного университета. – Днепропетровск-Донецк: Норд-Пресс. – 2004. – С. 402-418.

7. Бабец Д.В. Моделирование статистического распределения свойств горных пород при определении смещений контура протяженной // Проблеми гірського тиску. – Донецьк, ДонНТУ. – 2004. – Вип. 11. – С. 91-105.

8. Бабец Д.В. Применение метода группового учета аргументов к задаче оценки устойчивости горной выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ-2001. - №11. – С. 67-69.

9. Сдвижкова Е.А. Кужель С.В., Бабец Д.В. Research of probability nature of durability of fissured rock mass // Gornictvo i Geoinzynieria, Kwartalnik akademii gorniczo-hutniczej. – Krakow: Uczelniane widawnictwa naukowo-dydaktyczne. – 2003. – z. 3-4. – P. 514-518.

10. Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В. Использование методики многофакторного анализа для оценки устойчивости подготовительных выработок // Изв. Тульского государственного университета. Серия “Геомеханика. Механика подземных сооружений”. – Тула: ИПП “Гриф и К”, 2003. - Вып. 1. - С. 267-272.

11. Шашенко А.Н., Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В. Анализ затрат на поддержание подготовительных выработок, пройденных трещиноватых породах, на основе алгоритма структурной идентификации // Горн. информ.-аналит. бюллетень. – 2003. - №1. – С. 106-108.

12. Новикова Л.В., Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В. Определение зон разрушения в окрестности выработок на основе вероятностно-статистической модели породной среды // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ №1, 2004, С.165-168.

13. Сдвижкова Е.А., Бабец Д.В., Лозовский С.П. Статистическая модель устойчивости горной выработки // Матеріали міжнар. конф. “Форум гірників – 2005”. – Дніпропетровськ: НГУ. – 2005. - Т.4. – С. 68-74.

14. Zdvizkova E., Ruazantsev A., Babets D. Modeling of random distribution of rock properties in rock mechanics problem // Conference proceeding “MIOSEN – 2005”. - Podiebrady. - 2005. – P. 201-206.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1-6] – формулювання основних задач, розробка алгоритму математичного моделювання, проведення чисельних експериментів і аналіз результатів; [9-14] – розробка математичної моделі, аналіз результатів чисельних експериментів.

АНОТАЦІЯ

Бабець Д.В. Оцінка стійкості підземних протяжних виробок, що проведені в неоднорідному породному масиві, на основі багатофакторного аналізу. – 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, 2006.

В дисертації викладені результати досліджень впливу на напружено-деформований стан породного масиву мінливості його фізико-механічних властивостей, яка обумовлена природною неоднорідністю гірських порід.

Узагальнені результати численних спостережень відносно фізико-механічних характеристик гірських порід, що наведені в різних джерелах. Розроблений спосіб урахування макродефектів при визначенні параметрів розподілу досліджуваних кількісних ознак. Доведено, що наявність систем тріщин впливає не тільки на величину середнього значення і показники розкиду, але і змінює вид розподілу, причому, його асиметрія і ексцес нелінійно залежать від відстані між тріщинами.

З урахуванням встановлених закономірностей розроблений алгоритм чисельного моделювання стохастичної мінливості властивостей середовища при визначенні напружено-деформованого стану масиву навколо виробки. Використовувався метод скінчених елементів в поєднанні з прийомами імітаційного моделювання. Встановлено, що зміщення контуру виробки і розміри зон непружних деформацій в породному середовищі з випадково розподіленими властивостями на 30-40% перевищує ці ж величини в середовищі з усередненими властивостями.

Побудовано прогностичні моделі, які дозволяють оцінити приріст величини зміщення і розміру зони руйнувань залежно від відомих значень варіації основних міцнісних і деформаційних характеристик. На основі імовірнісної моделі безремонтної підтримки протяжних виробок розроблена методика оцінки їх стійкості і вибору параметрів кріплення.

Ключові слова: породний масив, тріщинуватість, стійкість виробки, статистичний розподіл, випадкові числа.

АННОТАЦИЯ

Бабец Д.В. Оценка устойчивости подземных протяженных выработок, проведенных в неоднородном породном массиве, на основе многофакторного анализа. – 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, 2006.

В диссертации изложены результаты исследований влияния на напряженно-деформированное состояние породного массива изменчивости его физико-механических свойств, которая обусловлена естественной неоднородностью горных пород.

Методами описательной статистики обработаны результаты многочисленных наблюдений в отношении физико-механических характеристик горных пород, приведенных в различных источниках. Установлено, что значения основных характеристик пород (модуля упругости, коэффициента Пуассона, пределов прочности на одноосное сжатие и растяжение) варьируют в широких пределах (с коэффициентом вариации не ниже 45%), а эмпирические распределения имеют несимметричный характер, отличный от нормального. Разработан способ учета макродефектов при определении параметров распределения исследуемых количественных признаков. Показано, что наличие систем трещин оказывает влияние не только на величину среднего значения и показатели разброса, но и изменяет вид распределения, причем, его асимметрия и эксцесс нелинейно зависят от расстояния между трещинами.

С учетом установленных закономерностей разработан алгоритм численного моделирования стохастической изменчивости свойств среды при определении напряженно-деформированного состояния массива в окрестности выработки. Использовался метод конечных элементов в сочетании с приемами имитационного моделирования, что позволило в каждой точке среды генерировать случайные значения основных деформационных и прочностных характеристик пород. Исследовалось влияние изменчивости каждой из них на напряженно-деформированной состояние породного массива. Установлено, что смещения конура выработки и размеры зон неупругих деформаций в породной среде со стохастически распределенными свойствами на 30-40% превосходят эти же величины в среде с усредненными свойствами.

Результаты вычислительного эксперимента обобщены с применением метода группового учета аргументов. Построены прогностические модели, позволяющие оценить приращение величины смещений и размера зоны разрушений в стохастически неоднородном породном массиве в зависимости от известных значений вариации основных прочностных и деформационных характеристик. Это позволяет уточнить те расчеты, которые выполнены в детерминированной постановке без учета статистического разброса исходных данных.

На основе вероятностной модели безремонтного поддержания протяженных выработок разработана методика оценки их устойчивости и выбора параметров крепи. При определении запаса устойчивости, необходимого для поддержания выработки с заданной вероятностью, используются результаты обобщения многовариантных расчетов в виде коэффициента вариации смещений характерных точек крепи. “Методика определения смещений контура протяженной горной выработки и нагрузки на ее крепь с учетом статистического разброса свойств горных пород” утверждена институтом НИИОМШС, г. Харьков. Выполнены расчеты и сформулированы рекомендации по креплению конвейерного штрека 6-й западной лавы для условий шахты им. Бажанова.

Ключевые слова: породный массив, трещиноватость, устойчивость выработки, статистическое распределение, случайные числа.

THE SUMMARY

Babets D.V. Estimation of mining extended developments stability which have been driven in the heterogeneous rocks, on the base of a factor analysis. – 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 2006.

Researches results of influence on a tense-strain state of a rock mass, if physical-mechanical properties variability in the dissertation are expounded. Variability is stipulated by natural heterogeneity of rock formation.

Results of numerous observations concerning physical-mechanical properties of rock formation are extended. The method of macroflaws registration at definition of distribution parameters of investigated quantitative indications is designed. It is shown, that presence of fractures systems influence not only over magnitude of average value and parameters of spread, but also changes a view of distribution function and its asymmetry and excess nonlinearly depend on crack spacing.

In view of the established regularity the numerical modeling algorithm of rock properties stochastic variability at definition of massif a tense–strain state in a neighborhood of a development is designed. The finite element method in a combination with means of a simulation modeling was used. It is established, that contour biases development and sizes of bands of inelastic deformations in rock mass with casual distributed properties on 30-40% exceed the same magnitudes rocks with average properties.

The prognostic model, permitting to estimate a gain of magnitude of biases and a size of a fractures band depending on known values of a variation basic strength and deformation properties. On the basis of stochastic model of overhaul maintainings of extended developments the procedure of an estimation of their stability and optimization of parameters of a support is designed.

Keywords: a rock mass, fissuring, a stability of a development, a statistical distribution, random numbers.

БАБЕЦЬ Дмитро Володимирович

Оцінка стійкості підземних протяжних виробок, що проведені в неоднорідному породному масиві, на основі багатофакторного аналізу

(Автореферат)

Підписано до друку 24.04.06. Формат 30х42/4.

Папір офсетний. Ризографія. Ум. друк. арк. 1,1.

Обл.-вид. арк. 1,1. Тираж 120 прим. Замовлення № .

РВК НГУ

49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.