При разработке одних и тех же пластов смежными шахтами вдоль их технических границ оставляются междушахтные барьерные целики, ширина которых расчитываетеся по определенным формулам. Основное назначение междушахтных барьерных целиков - недопустить проникновение воды и метана в горные выработки действующей шахты, в случае затопления горных выработок соседней шахты.
Одной из главных задач маркшейдерской службы угольных шахт является обеспечечение безопасного ведения горных работ. Особенно это относится к так называемым «опасным зонам», под которыми понимается участок недр при ведении горных работ требуется осуществлять дополнительные меры безопасности, предусматриваемые специальными проектами. К одной из таких «опасных зон» и относятся междушахтные барьерные целики.
Горные породы в массиве находятся в объемном напряженном состоянии. При проведении любых горных выработок происходит изменение напряженнного состояние углепородного массива. Особенно это относится к проведению очистных горных выработок. При производстве очистных работ во вмещающем горном масссиве происходит сдвижение пород не только по нормали к напластованию (вертикальные), но и в плоскости напластования (горизонтальные). Полость, образовавшаяся после выемки угля и окружающие ее породы горного массива представляют собой большую геомеханическую систему «очистная выработка- окружающий массив».
По мере увеличения площади выработанного пространства, вследствие роста давления подработанных пород кровли на обрушенные породы породу и почву очистной выработки образуются зона вторичного уплотнения, в которой угольные пласты и породы вновь подвергаются сжатию. Зоны повышенного горного давления образуются под и над целиками и краевыми частями лав. При прочих равных условиях неразрушенные угольные целики на больших глубинах выступают в роли концентраторов напряжений в углепородном массиве. Шахтными и аналитическими исследованиями установлено, что мощные породы кровли и почвы угольного пласта существенно влияют на изменение напряженного состояния породного массива при проведении очистной горной выработки.
Поэтому актуальной научной и практической задачей является исследование напряженно-деформированного состояния угольного пласта и окружающего горного массива в окрестности барьерных целиков при различной крепости мощных пород кровли и почвы угольного пласта, изучение геомеханических процессов в горном массиве при оконтуривании междушахтного барьерного целика с целью оптимизации размеров очистной выработки при планировке горных работ на различной глубине их проведения, исследованиние степени разрушения междушахтных барьерных целиков и недопущение проникновение воды в горные выработки действующей шахты, в случае затопления горных выработок соседней шахты.
Донецкий Национальный Технический Университет является одной из ведущих научных организаций, которая традиционно занимается процессами сдвижений массива горных пород под воздействием очистных работ. Кафедрой маркшейдерского дела им. проф. Оглоблина Д.Н. ещё в 60-х годах 20 века выполнены фундаментальные исследования сдвижения и деформирования горных пород вокруг очистных выработок, которые легли в основу разработки общей схемы процесса сдвижения толщи горных пород вокруг очистной выработки с выделением в ней характерных зон. С тех пор работы в этом направлении не прекращались и в настоящее время эта работа является одним из научных направлений кафедры маркшейдерского дела Донецкого национального технического университета.
Горный институт Донецкого Национального Технического Университета является одной из ведущих научных организаций, которая занимается геомеханическими процессами, происходящими в углепородном массиве в результате ведения подземных горных работ.
На маркшейдерскую службу угольных предприятий возложена ответственность за безопасное и рациональное ведение горных.
На кафедре маркшейдерского дела вопросами изучения напряженного состояния горного массива, его прогнозирования и управления горным давлением с целью безопасного ведения горных работ занимаются д.т.н. . проф. Грищенков Н.Н и д.т.н. . проф. Назимко В.В.
На территории Украины исследованиями геомеханических процессов, происходящими в углепородном массиве в результате ведения подземных горных работ, занимаются научно-исследовательский институт УкрНИМИ НАН и отделение физико-технических проблем ДонФТИ НАН Украины.
Обоснование оптимальных размеров очистных горных работ при их планировке вблизи междушахтных барьерных целиков с учетом глубины их проведения и различной крепости мощных пород кровли и почвы угольного пласта.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования
• анализ методов прогноза напряженно-деформированного состояния горного массива в зонах влияния очистных работ вблизи угольных целиков;
• исследовать напряженное состояние горных пород и степень разрушения междушахтного барьерного целика при планировке очистных работ на соседних шахтах с учетом их размеров, глубины проведения горных работ и различной крепости мощных пород кровли и почвы угольного пласта.
• разработать рекомендация по использованию полученных научных результатов для практического их применения.
Заключается в установлении закономерностей деформирования и разрушения на различной глубине междушахтного барьерного целика под влиянием очистных работ в углепородном массиве различной крепости горных пород посредством математического моделирования.
Объектом исследований являются геомеханические процессы, происходящие в горном массиве в окрестности междушахтного барьерного целика под влиянием очистных горных работ.
Предметом исследований являются междушахные барьерные угольные целики, призванные обеспечить безопасность ведения горных работ в случае затопления горных выработок соседней шахты.
В работе использован комплексный подход, который содержит анализ и обобщение ранее использованных исследований, включающий: изучение литературных данных для установления прогноза напряженно-деформированного состояния горного массива в зонах влияния очистных работ вблизи угольных целиков; численное математическое моделирование геомеханических процессов, происходящих в углепородном массиве методом конечных элементов и аналитические исследования методами математической статистики полученных результатов для выявления закономерностей напряженного состояния горных пород и степени разрушения междушахтного барьерного целика при планировке очистных работ на соседних шахтах с учетом их размеров, глубины проведения горных работ и различной крепости мощных пород кровли и почвы угольного пласта [7,8,9].
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
• использованием фундаментальных положений теории сдвижения и деформаций углепородного массива при проведении горных выработок, механики горных пород, метода конечных элементов, математической статистики;
• аналитическими исследованиями на множестве моделей, которые дают достаточную сходимость с натурными исследованиями.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей в установлении закономерностей деформирования и разрушения на различной глубине междушахтного барьерного целика под влиянием очистных работ в углепородном массиве различной крепости горных пород
• обоснование оптимальных размеров очистных горных работ при их планировке вблизи междушахтных барьерных целиков с учетом глубины их проведения и различной крепости мощных пород кровли и почвы угольного пласта;
• результаты работы могут быть использованы в нормативно-методических документах, регламентирующих вопросы выемки запасов вблизи междушахтных барьерных целиков и корректировке их размеров на больших глубинах.
Личный вклад автора состоит в разработке методики математического моделирования процесса деформирования и разрушения на различной глубине междушахтного барьерного целика под влиянием очистных работ в углепородном массиве различной крепости горных пород методом конечных элементов, в разработке алгоритма формирования системы узловых точек и программного обеспечения, реализующего математическую модель происходящих геомеханичееских процессов, в подготовке расчетных схем и проведении вычислительных экспериментов; в анализе и обобщении полученных результатов.
Прежде всего, следует отметить, что работа состоит из двух разделов: анализа состояния изученности рассматриваемого вопроса и непосредственно разработки на основе метода конечных элементов (МКЭ) математической модели, позволяющей получить результаты исследований. В настоящее время исследование еще не завершены. Окончательный результат будет получен к декабрю 2009 года.
Первый раздел работы посвящен анализу состояния изученности вопроса существующих аналитических методов расчёта напряжений во вмещающей толще горных пород при проведении различных горных выработок. С точки зрения безопасности ведения горных работ, важное значение имеют вопросы напряженного состояния горного массива, его прогнозирования и управления горным давлением [1,5,6,10]. Шахтными исследованиями было установлено, что на больших глубинах угольные целики, в том числе и междушахтные барьерные целики являются концентраторами напряжений в горном массиве. Нужно отметить, что этими вопросами занимался целый ряд учёных, в том числе из нашего Вуза: Зборщик М.П., Назимко В.В., Черняев В.И., Грищенков Н.Н. и др. В ДонНТУ был разработотан алгоритм расчета параметров напряженного состояния горного массива, основанный на аналитическийх методах геомеханики. Для реализации данного алгоритма разработан програмный коммплекс STRAIN, который находится в эксплуатации в ряде производственных объединений Донбасса.
Прогноз геомеханической обстановки в зонах влияния очистных работ является одной из главных задач маркшейдерской службы на угольных шахтах. В свою очередь любой подобный прогноз должен базироваться на динамической модели поведения массива. В настоящее время для построения такой модели принят следующий подход: фиксируются последовательные фазы развития горно-технологической ситуации, для каждой из них осуществляется расчет напряженного состояния горного массива и по результатам расчетов воссоздается динамика поведения массива под действием очистных работ. Таким образом, динамическая модель строится из ряда статических моделей напряженного состояния горного массива, отвечающих последовательному развитию горных работ. Из других моделей известны: графоаналитическая модель горного мас¬сива, тектоническая модель естественного напряженно-деформирован¬ного состояния массива; синергетическая модель геомеханических процессов в анизотропном горном массиве. Наиболее полная реализация математических моделей предложена в компьютерной программе MULSIM/NL, разработанной Горным бюро США. В ней для анализа напряжений и смещений, возникающих при выемке полезного ископаемого, применяются сразу шесть моделей среды: линейно-упругая для угля, пластичная, упруго-пластичная, двулинейная, жесткая, линейно-упругая для обрушенной породы и закладки. При этом программа может анализировать разработку до 4-х параллельных угольных пластов.
В настоящее время существует несколько аналитических методов расчета объемных и плоских моделей с реальными свойствами материалов, из которых состоит рассчитываемый объект. Наиболее распространенными во всем мире являются метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ). Оба эти метода были разработаны еще в ХХ веке, но применение этих методов на практике без применения ЭВМ затруднительно, так как они требуют больших расчетов.
МГЭ уменьшает размерность исходной задачи на единицу, т.е. для двумерных задач получается одномерное граничное интегральное уравнение, а для трехмерных задач - всего лишь двумерные интегральные уравнения по поверхности. Из предпринятых различными авторами исследований (Лаша, Бенерджи) можно заключить, что сопоставляемые времена решения трехмерных задач методом конечных элементов и методом граничных элементов при близкой точности обычно оказываются в 4-10 раз меньше для последнего метода.
МГЭ включает моделирование только граничной геометрии системы. Как только получена необходимая информация о границе, могут быть вычислены значения переменных, описывающих решение, в любых последовательно выбираемых внутренних точках. Более того, решение полностью непрерывно всюду внутри тела. Оказывается, что обе эти особенности присущи только МГЭ и выделяют его среди возможных альтернатив.
Достоинствами МКЭ являются гибкость и разнообразие сеток, стандартные приемы построения дискретных задач для произвольных областей, простота учета естественных краевых условий и т. д. Кроме того, математический анализ МКЭ является более простым, его методы применими к более широкому классу исходных задач, а оценки погрешностей приближенных решений, как правило, получаются при менее жестких ограничениях, чем в методе граничных элементов. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что основу для исследования МКЭ создали фундаментальные результаты, связанные с исследованием сходимости и устойчивости конечно-разностных схем, проекционных методов, обобщенных решений.[2,3,4]
Поскольку в результате моделирования мы должны получить сведения о геомеханических процессах не только на границах целика и пород, но и внутри толщи кровли и почвы, а также в самом угольном пласте, предпочтение было отдано МКЭ.
Для матеатического моделирования геомеханических процессов, происходящих в углепородноном массиве вблизи междушахтного барьерного целика под влиянием очистных горных работ, был выбран программный комплекс ANSYS (версия 10), в которором реализован метод коннечных элементов[11,12,13].
В связи с тем, что в настоящее время наиболее актуальным является обоснование оптимальных размеров очистных горных работ при их планировке вблизи междушахтных барьерных целиков, то расчетная схема представляет разрез по простиранию пластов при их горизонтальном залегании.
В рассматриваемой схеме были заданы следующе граничные условия:
• для узлов, расположенных на правой и левой боковых границах, разрешены только верти¬кальные смещения, а горизонтальные заданы равными нулю. Для узлов, расположенных на нижней границе, задано полное закрепление, т.е. запрещены как вертикальные, так и гори¬зонтальные перемещения.
• задание нагрузок осуществляеься только гравитационными силами, т.е. весом пород нале¬гающей толщи.
• имитация очистных выработок производится путем придания элементам, которые соответствуют очистной выработке, пониженных упругих характеристик,
которые с одной стороны позволяют свободно смещаться породам кровли, а с другой препятствуют взаимопроникновению узлов кровли и почвы пласта.
• толща пород кровли и почвы пласта представлены тремя различными сочетаниями упругих прочностных свойств: а) кровля прочная, почва слабая; б) кровля прочная, почва прочная; в) кровля слабая, почва прочная.
• при использовании описанного подхода к построению расчетной схемы и заданию характеристик предполагается, что проскальзывание между пластом и вмещающими породами от¬сутствует, а также отсутствуют слабые пропластки непосредственно в пласте.
Рис. 1. Напряженно-деформированное состояние междушахтного барьерного целика в зоне влияния очистных работ (9 кадров, 100 мс. задержки, 5 повторений, MP GIF Animator, объем 154 Кбайта)