При розробці одних і тих же пластів суміжними шахтами уздовж їх технічних кордонів залишаються междушахтні бар'єрні целіки, ширина яких разраховується по певним формулам. Основне призначення междушахтних бар'єрних целіків - недопустіть проникнення води і метану в гірські вироблення шахти, що діє, в разі затоплення гірських вироблень сусідньої шахти.
Одним з головних завдань маркшейдерської служби вугільних шахт є обеспечення безпечного ведення гірських робіт. Особливо це відноситься до так званих «небезпечних зон», під якими розуміється ділянка надр при веденні гірських робіт потрібно здійснювати додаткові заходи безпеки, що передбачаються спеціальними проектами. До однієї з таких «небезпечних зон» і відносяться междушахтниє бар'єрні целіки.
Гірські породи в масиві знаходяться в об'ємному напруженому стані. При проведенні будь-яких гірських вироблень відбувається зміна напруженного стану углепородного масиву. Особливо це відноситься до проведення очисних гірських вироблень. При виробництві очисних робіт в тому, що вміщає горном масиві відбувається зрушення порід не лише по нормалі до нашарування (вертикальні), але і в плоскості нашарування (горизонтальні). Порожнина, що утворилася після виїмки вугілля і породи, що оточували її породи гірського масиву є великою геомеханичною системою «очисна виработка - навколишній масив».
У міру збільшення площі виробленого простору, унаслідок зростання тиску підроблених порід крівлі на обрушені породи породу і грунт очисного вироблення утворюються зона вторинного ущільнення, в якій вугільні пласти і породи знов піддаються стискуванню. Зони підвищеного гірського тиску утворюються під і над целіками і краєвими частинами лав. За інших рівних умов незруйновані вугільні целіки на великих глибинах виступають в ролі концентраторів напруги в углепородном масиві. Шахтними і аналітичними дослідженнями встановлено, що потужні породи крівлі і грунту вугільного пласта істотно впливають на зміну напруженого стану порідного масиву при проведенні очисного гірського вироблення.
Тому актуальним науковим і практичним завданням є дослідження напружений-деформованого стану вугільного пласта і навколишнього гірського масиву в околиці бар'єрних целіків при різній фортеці потужних порід крівлі і грунту вугільного пласта, вивчення геомеханічних процесів в гірському масиві при оконтуріванії междушахтного бар'єрного целіку з метою оптимізації розмірів очисного вироблення при плануванні гірських робіт на різній глибині їх проведення, дослідження мірі руйнування междушахтних бар'єрних целіків і недопущення проникнення води в гірські вироблення шахти, що діє, в разі затоплення гірських вироблень сусідньої шахти.
Донецький Національний Технічний Університет є одна з провідних наукових організацій, яка традиційно займається процесами зрушень масиву гірських порід під впливом очисних робіт. Кафедрою маркшейдерської справи ім. проф. Оглобліна Д.Н. ще в 60-х роках 20 століття виконані фундаментальні дослідження зрушення і деформації гірських порід довкола очисних вироблень, які лягли в основу розробки загальної схеми процесу зрушення товщі гірських порід довкола очисного вироблення з виділенням в ній характерних зон. З тих пір роботи в цьому напрямі не припинялися і в даний час ця робота є одним з наукових напрямів кафедри маркшейдерської справи Донецького національного технічного університету.
Гірський інститут Донецького Національного Технічного Університету є один з провідних наукових організацій, який займається геомеханічними процесами, що відбуваються в углепородном масиві в результаті ведення підземних гірських робіт. На маркшейдерську службу вугільних підприємств покладена відповідальність за безпечне і раціональне ведення гірських робіт. На кафедрі маркшейдерської справи питаннями вивчення напруженого стану гірського масиву, його прогнозування і управління гірським тиском з метою безпечного ведення гірських робіт займаються: д.т.н. проф. Грищенков М.М и д.т.н. проф. Назимко В.В.
На території України дослідженнями геомеханічеських процесів, що відбуваються в углепородном масиві в результаті ведення підземних гірських робіт, займаються науково-дослідний інститут УКРНІМІ НАН і відділення фізико-технічних проблем ДОНФТІ НАН України
Обгрунтування оптимальних розмірів очисних гірських робіт при їх плануванні поблизу междушахтних бар'єрних целіків з врахуванням глибини їх проведення і різної фортеці потужних порід крівлі і грунту вугільного пласта.
Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання дослідження
• аналіз методів прогнозу напружено-деформованого стану гірського масиву в зонах впливу очисних робіт поблизу вугільних целіків;
• досліджувати напружений стан гірських порід і міру руйнування междушахтного бар'єрного целіку при плануванні очисних робіт на сусідніх шахтах з врахуванням їх розмірів, глибини проведення гірських робіт і різної фортеці потужних порід крівлі і грунту вугільного пласта;
• розробити рекомендація по використанню отриманих наукових результатів для практичного їх вживання.
Полягає у встановленні закономірностей деформації і руйнування на різній глибині междушахтного бар'єрного целіку під впливом очисних робіт в углепородном масиві різної фортеці гірських порід за допомогою математичного моделювання.
Об'єктом досліджень є геомеханічні процеси, що відбуваються в гірському масиві в околиці междушахтного бар'єрного целіку під впливом очисних гірських робіт.
Предметом досліджень є междушахтні бар'єрні вугільні целіки, покликані забезпечити безпеку ведення гірських робіт в разі затоплення гірських вироблень сусідньої шахти.
В роботі використаний комплексний підхід, який містить аналіз і узагальнення раніше використаних досліджень, що включає: вивчення літературних даних для встановлення прогнозу напружено-деформованого стану гірського масиву в зонах впливу очисних робіт поблизу вугільних целіків; чисельне математичне моделювання геомеханічних процесів, що відбуваються в углепородном масиві методом кінцевих елементів і аналітичні дослідження методами математичної статистики отриманих результатів для виявлення закономірностей напруженого стану гірських порід і міри руйнування междушахтного бар'єрного целіку при плануванні очисних робіт на сусідніх шахтах з врахуванням їх розмірів, глибини проведення гірських робіт і різної фортеці потужних порід крівлі і грунту вугільного пласта. [7,8,9].
Обгрунтованість і достовірність наукових положень, виводів і рекомендацій забезпечується:
• використанням фундаментальних положень теорії зрушення і деформацій углепородного масиву при проведенні гірських вироблень, механіки гірських порід, методу кінцевих елементів, математичної статистики;
• аналітичними дослідженнями на безлічі моделей, які дають достатню збіжність з натурними дослідженнями.
Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей деформації і руйнування на різній глибині междушахтного бар'єрного целіку під впливом очисних робіт в углепородном масиві різної фортеці гірських порід
• обгрунтування оптимальних розмірів очисних гірських робіт при їх плануванні поблизу междушахтних бар'єрних целіків з врахуванням глибини їх проведення і різної фортеці потужних порід крівлі і грунту вугільного пласта.;
• результати роботи можуть бути використані в нормативно-методичних документах, що регламентують питання виїмки запасів поблизу междушахтних бар'єрних целіків і коректуванню їх розмірів на великих глибинах.
Особистий вклад автора полягає в розробці методики математичного моделювання процесу деформації і руйнування на різній глибині междушахтного бар'єрного целіку під впливом очисних робіт в углепородном масиві різної фортеці гірських порід методом кінцевих елементів, в розробці алгоритму формування системи вузлових точок і програмного забезпечення, що реалізовує математичну модель геомеханічних процесів, що відбуваються, в підготовці розрахункових схем і проведенні обчислювальних експериментів; у аналізі і узагальненні отриманих результатів.
Перш за все, слід зазначити, що робота складається з двох розділів: аналізу стану вивченої даного питання і безпосередньо розробки на основі методу кінцевих елементів (МКЕ) математичної моделі, що дозволяє отримати результати досліджень. В даний час дослідження ще не завершені. Остаточний результат буде отриманий в грудні 2009 року.
Перший розділ роботи присвячений аналізу стану вивченої питання існуючих аналітичних методів розрахунку напруги у вміщаючій товщі гірських порід при проведенні різних гірських вироблень. З точки зору безпеки ведення гірських робіт, важливе значення мають питання напруженого стану гірського масиву, його прогнозування і управління гірським тиском. Шахтними дослідженнями було встановлено, що на великих глибинах вугільні целіки, у тому числі і междушахтниє бар'єрні целіки є концентраторами напруги в гірському масиві. Потрібно відзначити, що цими питаннями займалися цілий ряд учених, у тому числі з нашого Вузу: Зборщик М.П., Назімко В.В., Черняєв В.І., Гріщенков М.М. і ін. У ДОННТУ був разработотан алгоритм розрахунку параметрів напруженого стану гірського масиву, заснований на аналітічеськийх методах геомеханіки. Для реалізації даного алгоритму розроблений програмний коммплекс STRAIN, який знаходиться в експлуатації в ряду виробничих об'єднань Донбасу.
Прогноз геомеханічной обстановки в зонах впливу очисних робіт є однє з головних завдань маркшейдерської служби на вугільних шахтах. У свою чергу будь-який подібний прогноз повинен базуватися на динамічній моделі поведінки масиву. В даний час для побудови такої моделі прийнятий наступний підхід: фіксуються послідовні фази розвитку гірничо-технологічної ситуації, для кожної з них здійснюється розрахунок напруженого стану гірського масиву і за результатами розрахунків відтворюється динаміка поведінки масиву під дією очисних робіт. Таким чином, динамічна модель будується з ряду статичних моделей напруженого стану гірського масиву, що відповідають послідовному розвитку гірських робіт. З інших моделей відомі: графоаналітична модель гірського масива, тектонічна модель природного напряженно-деформірован¬ного стану масиву; синергетична модель геомеханічеських процесів в анізотропному гірському масиві. Якнайповніша реалізація математичних моделей запропонована в комп'ютерній програмі Mulsimnl, розробленій Гірським бюро США. У ній для аналізу напруги і зсувів, що виникають при виїмці корисної копалини, застосовуються відразу шість моделей середовища: лінійно-пружна для вугілля, пластична, пружно-пластична, двулінейная, жорстка, лінійно-пружна для обрушеної породи і закладки. При цьому програма може аналізувати розробку до 4-х паралельних вугільних пластів.
В даний час існує декілька аналітичних методів розрахунку об'ємних і плоских моделей з реальними властивостями матеріалів, з яких складається об'єкт, що розраховується. Найбільш поширеними у всьому світі є метод кінцевих елементів (МКЕ) і метод граничних елементів (МГЕ). Обидва ці методу були розроблені ще в ХХ столітті, але вживання цих методів на практиці без вживання ЕОМ скрутно, оскільки вони вимагають великих розрахунків.
МГЕ зменшує розмірність вихідного завдання на одиницю, тобто для двовимірних завдань виходить одновимірне граничне інтегральне рівняння, а для тривимірних завдань - всього лише двовимірні інтегральні рівняння по поверхні. Із зроблених різними авторами досліджень (Лаша, Бенерджі) можна укласти, що часи вирішення тривимірних завдань методом кінцевих елементів і методом граничних елементів, що зіставляються, при близькій точності зазвичай виявляються в 4-10 разів менше для останнього методу.
МГЕ включає моделювання лише граничної геометрії системи. Як тільки отримана необхідна інформація про кордон, можуть бути обчислені значення змінних, що описують рішення, в будь-яких послідовно вибираних внутрішніх крапках. Більш того, рішення повністю безперервно усюди усередині тіла. Виявляється, що обидві ці особливості властиві лише МГЕ і виділяють його серед можливих альтернатив.
Достоїнствами МКЕ є гнучкість і різноманітність сіток, стандартні прийоми побудови дискретних завдань для довільних областей, простота обліку природних краєвих умов і так далі Крім того, математичний аналіз МКЕ є простішим, його методи пріменімі до ширшого класу вихідних завдань, а оцінки погрішностей наближених рішень, як правило, виходять при менш жорстких обмеженнях, чим в методі граничних елементів. В той же час необхідно підкреслити, що основу для дослідження МКЕ створили фундаментальні результати, пов'язані з дослідженням збіжності і стійкості кінечно-різницевих схем, проекційних методів, узагальнених рішень.[2,3,4]
Оскільки в результаті моделювання ми повинні отримати відомості про геомеханічеських процеси не лише на кордонах целіку і порід, але і усередині товщі крівлі і грунту, а також в самому вугільному пласті, перевага була віддана МКЕ.
Для математичьного моделювання геомеханічеських процесів, що відбуваються в углепородноном масиві поблизу междушахтного бар'єрного целіку під впливом очисних гірських робіт, був вибраний програмний комплекс ANSYS (версія 10), в котором реалізований метод коннечних елементів.[11,12,13].
У зв'язку з тим, що в даний час найбільш актуальним є обгрунтування оптимальних розмірів очисних гірських робіт при їх плануванні поблизу междушахтних бар'єрних целіків, то розрахункова схема представляє розріз по тому, що випрало пластів при їх горизонтальному заляганні. У даній схемі були задані слідуючи граничні умови:
• для вузлів, розташованих на правій і лівій бічних кордонах, дозволені лише вертикальні зсуви, а горизонтальні задані рівними нулю. Для вузлів, розташованих на нижньому кордоні, задано повне закріплення, тобто заборонені як вертикальні, так і горізонтальні переміщення;
• завдання навантажень здійснюється лише гравітаційними силами, тобто вагою порід налегаючей товщі;
• імітація очисних вироблень виробляється шляхом додання елементам, які відповідають очисному виробленню, знижених пружних характеристик, які з одного боку дозволяють вільно зміщуватися породам крівлі, а з іншою перешкоджають взаємопроникненню вузлів крівлі і грунти пласта;
• товща порід крівлі і грунту пласта представлені трьома різними поєднаннями пружних прочностних властивостей: а) крівля міцна, грунт слабкий; би) крівля міцна, грунт міцний; у) крівля слабка, грунт міцний;
• при використанні описаного підходу до побудови розрахункової схеми і завдання характеристик передбачається, що прослизання між пластом і вміщаючими породами відсутнє, а також відсутні слабкі пропластки безпосередньо в пласті.
Рис.1. Напружене-деформоване полягання междушахтного бар'єрного целіку в зоні впливу очисних робітт (9 кадрів, 100 мс. затримки, 5 повторів, MP GIF Animator, обсяг 154 Кбайта)