авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Методика расчета напряженно-деформированного состояния неоднородного слоистого массива при отработке пологих угольных пластов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МЕЛЕШКО Андрей Викторович

Методика расчета напряженно-деформированного состояния неоднородного слоистого массива при отработке пологих угольных пластов

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор

Господариков Александр Петрович

Официальные оппоненты:

Зубков Виктор Васильевич

доктор технических наук, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», главный научный сотрудник лаборатории геодинамики научного Центра геомеханики и проблем горного производства

Никишин Даниил Юрьевич

кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический инжиниринг», начальник отдела подземных горных работ

Ведущее предприятие– ООО «СПб-Гипрошахт».

Защита диссертации состоится 31 мая 2012 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, (boguslEI@yandex.ru), ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Многообразие горно-геологических условий залегания пластов и увеличение глубины отработки требует постоянного мониторинга и прогнозирования напряженно-деформированного состояния (НДС) породных массивов, вмещающих горные выработки различного назначения и очертания, базирующегося, как правило, на эффективных численных методах решения.

Многие прикладные задачи горной геомеханики связаны с определением НДС техногенно нарушенного массива горных пород (МГП). Такие задачи решались многими исследователями различными методами математического и физического моделирования. Математическое моделирование имеет определенные преимущества перед физическим, поскольку обладает наибольшей общностью как при описании сущности геомеханических процессов, так и дает возможность исследовать и прогнозировать последние в наиболее широком спектре их определяющих параметров.

В связи с развитием вычислительной техники и методов математического моделирования, наряду с традиционными (широко апробированными) аналитическими методами, все шире применяются численные методы: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ). Эффективное применение этих методов для решения важных прикладных задач горной геомеханики определяется не только возможностями используемого программного комплекса, но и наличием соответствующей методической базы решения подобных задач.

Существенный вклад в теорию и практику горно-геомеханического обеспечения горных работ при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как Ардашев К.А., Борисов А.А., Бич Я.А., Ковалев О.В., Комиссаров С.В., Лабазин В.Г., Линьков А.М., Петухов И.М., Протосеня А.Г., Проскуряков Н.М., Слесарев В.Д., Шик В.М. и др. В то же время механизм деформирования, разрушения и оседания горных пород при работе высокопроизводительных очистных забоев имеет особенности, требующие дополнительных исследований, поскольку существенно влияет на состояние целиков и подготовительных выработок – особенно при парной (многоштрековой) подготовке выемочных столбов.

Получение надежных прогнозных оценок механических состояний массива (включая компоненты тензоров напряжения и деформации и вектора перемещений), учитывающих временной фактор, позволит своевременно предотвращать опасные проявления горного давления в подготовительных выработках, повысить безопасность ведения горных работ и минимизировать затраты на проведение и эксплуатацию горных выработок. Решение указанной задачи требует дальнейшего эффективного использования методов механики сплошных сред (МСС) с соответствующим отображением процессов обрушения горных пород и оседания подработанной толщи и, соответственно, разработки специальной методики, базирующейся на данных практики (маркшейдерские наблюдения, специальные исследования процессов деформирования и обрушения подработанной толщи, механических характеристик массивов обрушенных пород и т.п.). Все это и обуславливает актуальность темы исследования, а так же структуру и содержание работы.

Цель диссертационной работы. Разработка методики расчета НДС неоднородного слоистого массива, основанной на применении эффективных численных методов и позволяющей повысить надежность прогноза «горно-геомеханической» обстановки на выемочном участке (состояние целиков и участковых выработок), а так же безопасность отработки угольных пластов.

Основные задачи исследования:

1.Обосновать выбор горно-геомеханической модели МГП, адекватной по своим основным свойствам реальному массиву для условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения.

2.Разработать методику численного моделирования (на основе МКЭ) процесса деформирования и обрушения горных пород в выработанном пространстве при отработке пологих угольных пластов.

3.Установить закономерности изменения НДС неоднородного слоистого МГП, вмещающего выработки выемочного участка, на различных этапах отработки угольного пласта с учетом нелинейного процесса деформирования горных пород для условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения.

Идея диссертационной работы. Математическое моделирование НДС неоднородного слоистого массива при управлении кровлей полным обрушением на пологих пластах необходимо проводить на основе разработанного алгоритма, учитывающего закономерности обрушения пород в выработанном пространстве и формирования больших массивов с новыми механическими свойствами.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по проблемам устойчивости участковых подготовительных выработок; методы современного математического моделирования; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей целиков, форм обрушений пород непосредственной кровли в подготовительных выработках; регистрация и анализ величин смещений почвы и кровли; сравнительный анализ и сопоставление результатов моделирования с данными натурных измерений.

Научная новизна диссертационной работы:

  • установлены закономерности изменения напряженного состояния неоднородного породного массива, вмещающего комплекс выработанных пространств и участковых выработок, в рамках применимости физически линейного процесса деформирования горных пород;
  • установлены закономерности изменения напряженного состояния целиков и краевых частей горного массива, вмещающего участковые выработки, на различных этапах отработки выемочных столбов в рамках физически нелинейного процесса деформирования горных пород;

Основные защищаемые положения:

1. Моделирование НДС МГП, нарушенного отработкой длинных столбов, целесообразно осуществлять на однородных изотропных геомеханических моделях с последующей оценкой влияния полученного НДС на функции геометрических (мощность), механических (модуль деформации, коэффициент Пуассона) и контактных параметров слагающих слоев непосредственной и основной кровли до момента подбучивания вышележащих слоев обрушенными породами.

2. Моделирование геомеханических процессов обрушения МГП, подработанного длинными столбами, должно производиться с учетом оценки высоты обрушения и деформационных характеристик пород в выработанном пространстве, как функций коэффициента разрыхления обрушенных пород кровли.

3. Моделирование процессов оседания подработанных пород кровли вплоть до поверхности должно учитывать изменчивость деформационных свойств ответственных элементов слоистого МГП как функций трещиноватости последнего, а также использовать нелинейные зависимости физического закона (пошагово) в характерных зонах с сопоставлением с данными маркшейдерских наблюдений.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета НДС МГП на выемочном участке, позволяющей учесть изменение механических характеристик краевых частей массива и обрушенных пород в выработанном пространстве. Результаты диссертационной работы переданы в ООО «СПб-Гипрошахт» для использования при проектировании и используются для горно-геомеханического обоснования проектных решений.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом проанализированной информации по математическим моделям и методам численного моделирования НДС МГП, корректностью выполненных экспериментально-аналитических исследований и удовлетворительной сходимостью их с результатами численного моделирования, широким сопоставлением результатов по разработанной методике как с натурными данными, так и с результатами, полученными другими авторами и по другим методикам.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXXVIII международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2008 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка-2010» (Москва, 2010 г.); на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГУ «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), семинарах кафедры РМПИ СПГГУ.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке методики проведения исследований, анализе геологических и горнотехнологических условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения, проведении численного моделирования НДС углевмещающего массива для различных участков по длине выемочного столба, выполнении анализа результатов по разработанной методике моделирования НДС МГП с пошаговым изменением геометрии и механических характеристик различных элементов последнего, отображающей процессы разрушения, обрушения и оседания горных пород, выявлении функциональной взаимосвязи между механическими параметрами обрушенных пород в выработанном пространстве и степенью их уплотнения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 источников, приложения, включает 104 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы отражены состояние и перспективы развития методов моделирования геомеханических процессов в недрах при подземной разработке угольных пластов, выполнен сравнительный анализ программных продуктов, разработанных на основе современных численных методов, проанализированы технологии отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения и сформулированы основные требования к научному обоснованию безопасных и рациональных параметров используемых технологических схем, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе проанализированы и обобщены горно-геологические условия отработки угольных пластов на шахтах Ерунаковского месторождения, приведены материалы по обобщению натурных данных о механических характеристиках различных литотипов горных пород и угольных пластов для рассматриваемого района Кузбасса, приведены разработанные горно-геомеханические модели и расчетные схемы для моделирования НДС МГП в пределах выемочного участка, изложены методические рекомендации по расчету механических характеристик различных элементов МГП при моделировании НДС для случая отработки угольных пластов длинными столбами и многоштрековой подготовке.

В третьей главе приведены результаты моделирования НДС МГП вмещающего угольные пласты в пределах выемочного участка для различных моментов отработки выемочного столба; проанализирована динамика изменения НДС в зависимости от длины лавы, ширины охранного угольного целика, мощностей непосредственной и основной кровли, мощности обрушения пород в выработанном пространстве, степени разрыхления пород, обрушенных в выработанное пространство, наличия или отсутствия факта «подбучивания» вышележащих пород, приведены принципиальные подходы к расчету механических характеристик ответственных элементов массива при моделировании процесса оседания подработанной толщи пород от непосредственной кровли разрабатываемого пласта до поверхности (наносов).

В четвертой главе приведены результаты шахтных исследований по выявлению основных горно-геологических и горнотехнических факторов, влияющих на состояние участковых подготовительных выработок, обоснована методика шахтных исследований, используемая для сопоставления результатов математического моделирования и натурных наблюдений, изложены методические рекомендации по расчету механических характеристик различных элементов МГП при моделировании НДС для случая отработки угольных пластов длинными столбами и многоштрековой подготовке.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Моделирование НДС МГП, нарушенного отработкой длинных столбов, целесообразно осуществлять на однородных изотропных геомеханических моделях с последующей оценкой влияния полученного НДС на функции геометрических (мощность), механических (модуль деформации, коэффициент Пуассона) и контактных параметров слагающих слоев непосредственной и основной кровли до момента подбучивания вышележащих слоев обрушенными породами.

Проблемы, возникающие при отработке пластовых месторождений полезных ископаемых, свидетельствуют о необходимости дальнейшего развития горной геомеханики. Совершенствование уже известных методов изучения НДС МГП тесно связано с необходимостью обоснованного принятия решений в производственных вопросах, а также обеспечения безопасности на горном предприятии как с технической, так и с экологической точки зрения.

Очевидно, что изучение геомеханических процессов в МГП не может производиться с использованием только натурных данных, результатов лабораторных исследований или аналитических расчетов. К тому же постановка такой задачи нецелесообразна, так как для каждого из приведенных методов исследования «характерен» только свой класс задач. С точки зрения получения достоверного прогноза горно-геомеханических условий подземной разработки месторождений полезных ископаемых наиболее значимыми являются два метода: метод «поиска месторождений аналогов» и математическое моделирование НДС МГП. Наиболее информативными и сравнительно малозатратными методами математического моделирования являются численные методы. Среди численных методов наиболее эффективными являются МКР, МКЭ, МГЭ, метод граничных интегральных уравнений и другие методы, получившие большое распространение в инженерной и научной среде при высоком развитии вычислительной техники.

Несмотря на эффективность численных методов при решении задач горной геомеханики, при использовании последних, зачастую, приходится прибегать к различного рода модификациям. В частности, при исследовании геомеханических процессов в неоднородных, многосвязных, трещиноватых и анизотропных МГП, учет таких явлений как разрушение, обрушение, пригрузка и уплотнение значительных объемов массива при управлении кровлей полным обрушением, требует, как правило, такой модификации.

Широкий круг проблем управления геомеханическими процессами в МГП связан с очистными выработками (лавами) и наличием в пределах выемочных участков значительных выработанных пространств. Решение таких задач обеспечивает как безопасность работ в таких забоях, так и определяет выбор рациональных технологических решений. Исследование НДС массива неоднородных пород непосредственной и основной кровли пластов, а также НДС призабойных зон пласта и вмещающих пород, определяет условия управления состоянием массива непосредственно в лаве и участковых выработках, а следовательно, влияет на эффективность выемки полезного ископаемого. Большую практическую значимость имеет оценка эффекта влияния выработанного пространства на расположенные в краевых частях массива горные выработки (систему целиков и выработок). Расчет НДС в этом случае обеспечивает возможность оценки удароопасности целиков и разработки комплекса мероприятий для исключения возникновения таких явлений на выемочных участках.

В настоящее время на смену бесцеликовым схемам отработки выемочных столбов и использованию рамных крепей в участковых выработках пришли схемы отработки пластов с охраной выработок целиками угля и анкерным креплением кровли, боков, а в некоторых случаях и почвы выработок. Использование современных механизированных комплексов позволяет достигать высоких нагрузок на очистной забой, и соответственно, существенных скоростей подвигания лавы. Задача поддержания участковых выработок на границе с выработанным пространством в случае использования анкерной крепи или значительной мощности отрабатываемого пласта становится практически невыполнимой. В связи с этим на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» и получили распространение технологические схемы с охраной участковых выработок целиками угля. На границе с выработанным пространством такая выработка попадает в зону интенсивно протекающих геомеханических процессов, связанных не только с обрушением непосредственной и основной кровли, но и с довольно длительными процессами сдвижения всей налегающей толщи, и как следствие этих процессов – выработка находится в зоне интенсивного трещинообразования, перехода части пласта в «запредельное состояние», что приводит к перераспределению напряжений в пласте и налегающей толще и так до момента оседания всего массива пород до поверхности.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.