Карпенко Анна Андреевна Автореферат по теме:"Установление закономерностей и показателей разброса оседаний и деформаций земной поверхности с учетом стохастичности процессов сдвижения и разрушения массива горных пород"

Большинство проблем горного производства, таких, как устойчивость горных выработок, а также сам процесс добычи полезных ископаемых, непосредственно связаны с разрушением горных пород.

С увеличением глубины разработки угольных пластов, реструктуризацией угольной промышленности и закрытием шахт, внедрением нетрадиционных технологий добычи полезного ископаемого вышеуказанные проблемы еще более усложняются.

Деформация и разрушение горных пород, в отличие от других твердых тел, имеют свои специфические особенности, связанные, прежде всего, с дефектностью, неоднородностью, гетерогенностью среды и процессами в горном массиве, особенно около горных выработок неравнокомпонентного объемного поля сжимающих напряжений.

В последнее время в практике решения задач прогнозирования и управления состоянием горного массива происходят существенные изменения относительно использования физико-механических характеристик горных пород. Если раньше в качестве основных показателей применялись временные опоры одноосного сжатия и растяжения, а потом паспортные прочности, то в настоящее время получило развитие направление использования физико-механических характеристик, полученных в условиях максимального приближения к реальным.

Прямые экспериментальные исследования в горном массиве связаны со значительными трудностями. До настоящего времени наиболее доступным способом получения характеристик, достаточно надежно отображающих состояние массива, является физическое моделирование с использованием установок трехосного сжатия и применения методов механики разрушения.

Несмотря на большой объем экспериментальных и теоретических исследований, из-за сложности экспериментального обеспечения, постановки и реализации задач, закономерности деформации и разрушения горных пород в объемном поле сжимающих напряжений в основном остаются неизученными.

Поэтому связь научных основ деформации и разрушения горных пород с учетом неравнокомпонентности объемного поля сжимающих напряжений и дефектности структуры является актуальной научно-прикладной проблемой.

Связь работы с научными программами, планами, темами

В основу работы легли результаты многолетних исследований сдвижения земной поверхности сотрудниками кафедры маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета. Работа выполняется в соответствии с научным направлением кафедры маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета в рамках плана научно-исследовательской работы.

Обзорная информация:

Локальная

Одной из ведущих научных организаций, которая занимается процессами сдвиженийя массива горных пород и земной поверхности в результате ведения горных работ, является Донецкий Национальный Технический Университет.

В последнее время активно процессами горных пород и земной поверхности занимается академик Академии горных наук Гавриленко Ю.Н., изучающий математическое моделирование сдвижения горных пород и земной поверхности в слоистом массиве методом конечных элементов. Весомый вклад внес также Петрушин А.Г., который рассматривал сдвижение земной поверхности на объемной модели.

В контексте решаемой в моей магистерской работе задачи отмечу, что основным недостатком всех существующих исследований является то, что мульда сдвижения рассматривается как детерминированная, т.е. определяемая со 100%-ной вероятностью. И, следовательно, все исходные факторы рассматриваются как детерминированные. Однако практика показывает, что расчетные оседания отличаются от фактически измеренных на 30-50% и более. Фактические деформационные параметры сдвижения (наклоны, кривизна, горизонтальные деформации) отличаются от расчетных на 100% и более, а часто и не совпадают по знаку и направлению.

В Украине

На территории Украины данным вопросом занимаются кафедры маркшейдерского дела Донецкого Национального Технического Университета и Днепропетровского Национального Горного Университета, научно-исследовательский институт УкрНИМИ и Донбасский горно-металургический институт.

Изучением характера развития процесса сдвижения при подработке земной поверхности в Донбассе занимались такие исследователи, как В.И. Коваленко, В.М. Земисев, Ю.Б. Файнштейн, Ю.М. Гавриленко и А.Н. Мурашов и др.

Основным нормативным документом для расчета ожидаемых оседаний и деформаций земной поверхности на сегодняшний день являются «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях».

В УкрНИМИ разрабатывается новый документ для обеспечения безопасного ведения горных работ под объектами, расположенными на земной поверхности.

Во всех указанных исследваниях мульда сдвижения также рассматривается как детерминированная.

Мировая

В зарубежной практике обобщение закономерностей распределения погрешностей почти не встречается. Чаще всего оценка погрешностей имеет узко ориентированную практическую направленность и заключается в сравнении расчетных показателей сдвижения и фактически измеренных. При разработке угольных месторождений Германии применяется методология по документу близкому к нашим «Правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях».

На шахтах Великобритании используют эмпирическую методику расчета ожидаемых показателей сдвижений, которая получена на основании статистической обработки большой базы данных натурных наблюдений. На шахтах США и Австралии часто применяют несколько конкурирующих методик, которые основаны на той, или иной модели деформированной среды (методы конечных, граничных или дискретных элементов, методы конечных разностей, эмпирические методы).

Мульду сдвижения как детерминированную также рассматривают немецкие исследователи.

Цель работы

Установление характера распределения сдвижений и деформаций земной поверхности в пределах мульды сдвижения, а также дальнейшее развитие научных основ деформации и разрушения горных пород при объемном сжатии для разработки и усовершенствования способов прогнозирования и управления состоянием горного массива.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования

проанализировать современное положение исследований относительно деформации и разрушения горных пород в условиях объемной нагрузки;

определить соотношение между напряженным и деформированным состояниями, их влияние на механизм и характер разрушения горных пород при трехосном неравнокомпонентном сжатии;

исследовать поведение горных пород при неравномерной трехосной объемной нагрузке с учетом влияния глубины залегания, температуры окружающей среды и других факторов;

разработать рекомендация по использованию полученных научных результатов для практического их применения.

Идея работы

Идея работы заключается в учете неравнокомпонентности объемного напряженного состояния и дефективности структуры при установлении закономерностей деформирования и разрушения горных пород в условиях объемного сжатия, а также в разработке объемной математической модели, описывающей геометрические и деформационные соотношения основных структурных элементов нарушенного массива.

Объект исследования

Объектом исследования работы является земная поверхность в зоне влияния подземных горных разработок, процессы деформации и разрушения горных пород в объемном поле сжимающих напряжений.

Предмет исследования

Предметом исследования являются сдвижения и деформации земной поверхности по всей площади мульды сдвижения при подработке земной поверхности, а также закономерности изменения физико-механических свойств при их деформации и разрушении объемного неравнокомпонентного сжатия.

Методы исследования

В работе использован комплексный подход, который содержит анализ и обобщение ранее использованных исследований, включающий: изучение литературных данных для установления существующих представлений о характере сдвижения и деформации; численное объемное моделирование процесса сдвижения методом конечных элементов земной поверхности угольными пластами и аналитические исследования методами математической статистики полученных результатов для выявления закономерностей распределения сдвижений и деформаций земной поверхности; целенаправленный анализ и обобщение на базе установленных закономерностей данных натурных маркшейдерских наблюдений сдвижениями и деформациями земной поверхности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается

использованием фундаментальных положений теории сдвижения горных пород и земной поверхности, механики горных пород, метода конечных элементов, математической статистики;

значительным объемом маркшейдерских наблюдений за сдвижением земной поверхности в различных горно-геологических условиях, использованных для обобщения и установления основных закономерностей;

аналитическими исследованиями на множестве моделей, которые дают достаточную сходимость с натурными исследованиями.

Научное значение работы

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей пространственной деформации земной поверхности по всей площади мульды сдвижения при подработке земной поверхности угольными пластами.

Практическое значение полученных результатов:

разработка методики пространственного прогнозирования сдвижений и деформаций земной поверхности, учитывающей структурные особенности геологического строения толщи;

получение коэффициентов влияния продольных и поперечных нарушений, что даст возможность прогнозировать значения сдвижений и деформаций в главном сечении мульды сдвижения, полученных по заданным методикам, характер распределения сдвижений и деформаций земной поверхности в параллельных сечениях;

результаты работы могут быть использованы в нормативно-методических документах, регламентирующих вопросы выемки запасов под застроенными территориями, а также условия строительства на угленостых пространствах.

Личный вклад

Личный вклад состоит в разработке методики математического моделирования процесса сдвижения методом конечных элементов в пространственной постановке задачи; в обосновании деформационных параметров основных структурных элементов массива горных пород; в разработке алгоритма формирования системы узловых точек и программного обеспечения, реализующего трехмерную математическую модель сдвижения; в подготовке расчетных схем и проведении вычислительных экспериментов; в анализе и обобщении полученных результатов.

Основное содержание работы

Прежде всего, следует отметить, что работа состоит из двух разделов: анализа состояния изученности рассматриваемого вопроса и непосредственно разработки на основе метода конечных элементов (МКЭ) объемной математической модели, позволяющей получить результаты исследований характера влияния процесса подработки земной поверхности в пределах всей зоны влияния. В настоящее время исследование еще не завершены. Окончательный результат будет получен в декабре 2008 года.

Первый раздел

Первый раздел работы посвящен анализу состояния изученности вопроса об исследовании характера распределения сдвижений и деформаций земной поверхности по площади мульды сдвижения при подработке земной поверхности угольными пластами.

Подработка земной поверхности приводит к аномальному развитию процесса сдвижения в массиве горных пород и на земной поверхности. С увеличением глубины разработки их влияние при выборе мер охраны объектов дневной поверхности является определяющим, поскольку ожидаемые сдвижения и деформации в обычных условиях невелики по величине и прогнозируются с достаточной инженерной точностью.

Анализ литературных источников по данному вопросу показал, что существующие методы изучения и прогнозирования деформаций земной поверхности, направлены на решение плоской задачи сдвижения для продольных сечений, что не зависит от поперечных размеров очистной выработки. Это в свою очередь не позволяет прогнозировать распределение сдвижений и деформаций в краевых частях зоны влияния выработки, в сечениях, параллельных зоне разрушения пород.

Второй раздел

Второй раздел работы посвящен разработке на основе метода конечных элементов (МКЭ) объемной математической модели, которая опишет геометрические и деформационные соотношения основных структурных элементов тронутого массива, а также он посвящен проверке соответствия результатов моделирования существующим представлениям о характере распределения сдвижений и деформаций в мульде.

В работе исследуются математические модели в условиях трехосного напряженно-деформированного состояния. В трехмерной геомеханической задаче МКЭ в основном массиве выделяется область исследования, имеющая форму произвольного прямоугольного параллелепипеда, который включает очистную выработку и всю зону ее влияния. Область исследования делится на конечное число элементов, имеющих форму гексаэдра, и взаимодействуют между собой только в узлах. Перемещение любой произвольной точки внутри элемента определяются перемещениями его узловых точек через аппроксимирующий полином функциями формы.

Имитация очистной выработки осуществляется посредством задания соответствующим элементам расчетной схемы специальных упругих характеристик, при которых выполняется условие непроникновения пород кровли в породы почвы угольного пласта и обеспечивается уплотнение элемента практически на величину, близкую к мощности пласта.

Основными трудностями в разработке компьютерной технологии, реализующей пространственную математическую модель, является создание, описание и введение в компьютер геометрической схемы, а также решение огромного числа линейных уравнений.

С целью обеспечения автоматизированного построения расчетной схемы должен быть разработан алгоритм, позволяющий сформировать систему узловых точек путем пересечения трех систем плоскостей:

системы вертикальных плоскостей, параллельных оси абсцисс;

системы вертикальных плоскостей, параллельных оси ординат;

системы плоскостей приблизительно параллельных плоскости угольного пласта.

На нижеприведенном рисунке продемонстрировано совместное влияние оседаний и деформаций на земную поверхность в результате ведения горных работ по добыче полезного ископаемого.

Рисунок 1 - Совместное влияние оседаний и деформаций на земную поверхность в результате ведения горных работ по добыче полезного ископаемого (Анимированный рисунок, число кадров - 10, скорость - 50 мс, вес - 141 кБ)

Обзор результатов

В работе производится решение актуальной научной задачи, которая заключается в установлении закономерностей деформации земной поверхности по всей площади мульды сдвижения при подработке земной поверхности угольными пластами на базе трехмерного математического моделирования методом конечных элементов.

Cписок использованной литературы

1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учебник для вузов. М., Недра, 1984. 415 с.

2. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М., Недра, 1980.360 с.

3. Зборщик М.П., Назимко В.В., Иванов И.Е., Сугаков В.А., Халимандик Ю.М. Прогноз разрушений пород методом моделирования в окрестности призабойного пространства лавы // Уголь Украины.-1999.-N 5. - С.20-23. http://www.library.dgtu.donetsk.ua/?lang=ru&name=%ED%E0%E7%E8%EC%EA%EE&p=72

4. Красько Н.И., Халимендик Ю.М., Бугара М.И., Зборщик М.П., Назимко В.В. Система геомеханической оценки перспективного и текущего планирования развития горных работ на угольных шахтах // Перспективи розвитку гiрничих технологiй на початку третього тисячолiття: Зб. наук. праць.-Алчевськ, 1999.-С.50-54. http://www.library.dgtu.donetsk.ua/?lang=ru&name=%ED%E0%E7%E8%EC%EA%EE&p=72

5. Назимко В.В., Хохотва А.И. Анализ давления на анкерную крепь подготовительной выработки на активной стадии формирования зоны неупругих деформаций // Сб.науч.тр.нац.горн.ун - та/Днепропетр.нац.горн.ун - т.-Днепропетровск,2003.-Т.2,№17. - С.37 - 43. http://www.library.dgtu.donetsk.ua/?lang=ru&name=%ED%E0%E7%E8%EC%EA%EE&p=72

6. Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина Национальной академии наук Украины КРАСЬКО Н.И., НАЗИМКО В.В. Моделирование динамики перераспределения горного давления, сопровождающей обрушение породных слоев кровли в очистном забое. http://www.donphti.ac.donetsk.ua/ftvd/2003.htm

7. Метод конечных элементов (Розин Л.А. , 2000), МАТЕМАТИКА. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/989.html

8. Метод конечных элементов В.В.Смирнов Бийский технологический институт. http://www.nsu.ru/matlab/Exponenta_RU/educat/systemat/smirnov/main.asp.htm

9. Математическое моделирование сдвижения горных пород и земной поверхности в слоистом массиве методом конечных элементов. http://gis.dgtu.donetsk.ua/newsiteversion/ru/staff/gavrilenko/publ.htm#9

10. Монография под названием «Метод конечных элементов в технике» Зенкевича О. http://lib.mexmat.ru/books/713

Автобиография

Библиотека

Ссылки

Индивидуальное задание

Результаты поиска в Интернет