Разработка комплекса программ и численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве

Актуальность работы. В последнее десятилетие на угольных шахтах России преобладают системы разработки угольных пластов длинными очистными забоями с применением интенсивных технологий, что приводит в условиях опасного производства к высокому уровню аварийности и травматизма. Одним из перспективных направлений развития технологии интенсивной и безопасной работы угольных шахт является создание способов дистанционного ведения горных работ с применением роботизированных технических средств.

Наиболее приспособленными к применению роботизированной технологии выемки угольных пластов являются системы разработки с короткими забоями, в которых обеспечивается устойчивость пород кровли при оптимальной форме камер, высокой скорости их проведения и высокоэффективной отработке пласта. Снижение интенсивности горного давления и деформации камер приводит к сокращению производственных затрат на поддержание выработок.

Для создания роботизированных систем выемки угля необходимо разработать методы и средства прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Поэтому математическое моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве в зоне влияния горных выработок с численной реализацией в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования параметров систем разработки с короткими забоями является актуальной научной задачей.

Диссертация выполнена при поддержке Министерства образования РФ по Государственному заданию на выполнение НИР «Разработать и внедрить систему мониторинга и научного сопровождения геомеханических и газодинамических процессов при разработке угольных месторождений в сейсмически активных районах» (№ 5.3832.2011, 2012 г.) — в рамках Государственного контракта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка механизма рационального управления взаимодействующими геомеханическими и газодинамическими процессами в геосреде с пространственно-временной иерархией системы породных блоков, линеаментов и горных выработок» (2010;2012 гг., № 16.740.11.0186).

Целью работы является разработка математической модели массива горных пород для обоснования параметров короткозабойной технологии угледобычи по результатам численного моделирования геомеханических процессов в окрестности системы взаимовлияющих выработок камерного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать геомеханическую модель углепородного массива с учетом анизотропии прочностных и деформационных свойств горных пород при подземной отработке угольных пластов.

2. Выполнить математическое моделирование геомеханических процессов в изотропной, трансверсально-изотропной и ортотропной моделях массива горных пород для определения параметров НДС углепородного массива в зоне влияния системы горных выработок.

3. Разработать метод глобальной нумерации узлов конечно-элементной трехмерной модели массива горных пород для минимизации ширины полосы матрицы коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений.

4. Создать комплекс проблемно-ориентированных программ с использованием специализированных сред разработки для численного моделирования геомеханических процессов в углепородном массиве в окрестности горных выработок.

5. Провести вычислительные эксперименты с использованием разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования параметров систем разработки короткими забоями.

Методы исследования: механики сплошной среды, теории упругости, математического и численного моделирования, объектно-ориентированного программирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы:

1. Трехмерная геомеханическая модель массива горных пород, отличающаяся учетом интегрального влияния природной слоистости и трещиноватости (кливажа) пород, пространственного положения системы горных выработок на НДС углепородного массива, его прочностные, реологические и деформационные свойства.

2. Обобщенный вариант матрицы упругости, адаптированный к структуре углепородного массива и анизотропии свойств горных пород посредством определения коэффициентов, устанавливающих зависимости между упругими характеристиками с учетом ползучести для трансверсально-изотропных и ортотропных породных массивов.

3. Метод глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели углепородного массива, отличающийся выбором направления обхода и порядка нумерации узлов в зависимости от увеличения их количества по координатным осям, обеспечивающий минимизацию ширины полосы матрицы жесткости при соотношении числа узлов 1:2:3 в 2−3 раза.

4. Комплекс проблемно-ориентированных программ «MGP program complex», отличающийся интеграцией сред разработки приложений MS Developer Studio и Delphi для создания пользовательского интерфейса, MS Fortran Power Station с целью увеличения скорости обработки данных при численном решении методом конечных элементов геомеханических задач.

5. Критерий устойчивости системы «междукамерные целикиподработанные породы кровли», как отношение суммарной площади разрушения целиков к площади выработанного пространства, отличающийся возможностью определения по размерам целиков площади зоны их вероятного разрушения, что позволяет прогнозировать массовую потерю устойчивости угольных целиков (явление коллапса).

Практическая значимость работы. Результаты диссертации могут быть использованы при:

— разработке вариантов геомеханических моделей углепородного массива с учетом горно-геологических и горнотехнических условий отрабатываемых месторождений;

— математическом моделировании геомеханических процессов в углепородном массиве с учетом анизотропии и ползучести горных пород;

— глобальной нумерации узлов конечно-элементной трехмерной модели углепородного массива, позволяющей уменьшить время вычислений и объем используемой оперативной памяти компьютера;

— интеграции специализированных сред разработки для создания проблемно-ориентированных комплексов программ;

— проведении трехмерных вычислительных экспериментов с использованием разработанного комплекса программ.

Предмет защиты:

— трехмерная геомеханическая модель углепородного массива, учитывающая анизотропию и реологию горных пород;

— обобщенный вариант матрицы упругости при численном расчете параметров НДС трансверсально-изотропных и ортотропных массивов горных пород;

— метод глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели, минимизирующий ширину полосы матрицы жесткости;

— комплекс проблемно-ориентированных программ «MGP program complex» для численного решения объемных задач геомеханики;

— критерий устойчивости системы «междукамерные целикиподработанные породы кровли» для выбора предельной ширины устойчивых междукамерных целиков и выемочных столбов.

Личный вклад автора заключается в создании трехмерной геомеханической модели углепородного массиваопределении коэффициентов, устанавливающих зависимости между упругими постоянными в обобщенной матрице упругостиразработке метода глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели и комплекса проблемно-ориентированных программпроведении трехмерных вычислительных экспериментов и определении геомеханических параметров короткозабойных систем разработки угольных пластов.

Реализация результатов. Результаты работы рекомендованы к использованию при отработке короткими очистными забоями гидроучастка пласта 6 на ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс» и пологих угольных пластах ЗАО «Шахта Распадская-Коксовая» УК ОАО «Распадская» справка ООО «Проектгидроуголь» от 18.04.2013 г., г. Новокузнецк), в учебном процессе СнбГИУ при преподавании дисциплин «Компьютерное моделирование пластовых месторождений», «Моделирование reoи газодинамических процессов», «Научный семинар по горному делу».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 20 072 008 гг.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2009 г.), Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2010 г.), «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг» (Новокузнецк, 2008;2012 гг.), научном семинаре СибГИУ.

Публикации. Материалы по теме публикации опубликованы в 14 печатных работах, из которых 13 статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 свидетельство о регистрации разработки.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка использованных источников из 114 наименований, и содержит 166 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 24 таблицы и 2 приложения.

4.4 Выводы.

На основе проведенных исследований и полученных значений параметров объемного напряженно-деформированного состояния массива горных пород обоснованы следующие выводы:

1. Для прогнозирования геомеханических параметров систем разработки короткими забоями необходимо поэтапное решение упругой и упруго-пластической задач с оценкой несущей способности междукамерных целиков на основе коэффициента устойчивости.

2. Коэффициент устойчивости междукамерных целиков определяется как отношение коэффициента концентрации вертикальных напряжений, вычисленного методом конечных элементов, к предельному коэффициенту концентрации вертикальных напряжений, который зависит от предела прочности угля на сжатие, глубины разработки, мощности пласта, ширины угольного целика и параметра ползучести угля.

3. Отношение суммарной площади разрушения междукамерных целиков к площади выработанного пространства предлагается использовать в качестве критерия, позволяющего прогнозировать и предотвращать массовое разрушение угольных целиков (явление коллапса).

4. С увеличением коэффициента концентрации вертикальных напряжений возрастают минимальная ширина устойчивого угольного столба, ширина зон запредельного состояния в краевых участках отрабатываемого столба, площади и размеры подзавальных целиков в заходках.

5. Непосредственно в отрабатываемом столбе на границе с очистной заходкой и в краевой части столба коэффициент концентрации вертикальных напряжений изменяется в пределах 1,2-ьЗ, 1, а в краевой части следующего выемочного столба его значения возрастают и достигают максимума в зоне влияния очистной заходки.

6. По мере отработки выемочного столба коэффициент концентрации вертикальных напряжений в зоне очистной заходки отрабатываемого столба возрастает и достигает максимума в средней части выемочного столба. Минимальная ширина устойчивого выемочного столба прямо пропорционально зависит от длины выработанного пространства.

7. При увеличении ширины выработанного пространства по простиранию пласта нагрузка на угольные целики возрастает почти линейно, коэффициент концентрации вертикальных напряжений увеличивается в обратно пропорциональной зависимости от ширины целика, а при уменьшении ширины целика вертикальное давление возрастает и повышается вероятность разрушения угля в целике.

8. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений увеличивается в обратно пропорциональной зависимости от ширины целика, а при уменьшении ширины целика вертикальное давление возрастает и повышается вероятность разрушения угля в целике.

9. При увеличении ширины целика в его ядре возникает объемное НДС, вследствие чего возможно накопление большой потенциальной энергии, которая может преобразоваться в кинетическую при горном ударе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена актуальная научно-практическая задача математического моделирования процессов в углепородном массиве в зоне влияния горных выработок с численной реализацией в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования геомеханических параметров систем разработки с короткими забоями. Решение данной задачи позволяет повысить точность прогноза параметров технологий поземной разработки угольных месторождений и безопасность горных работ.

На основе полученных результатов исследований обоснованы следующие научные и практические выводы и рекомендации:

1. Разработана геомеханическая модель, в которой массив горных пород принимается слоистым с анизотропным распределением во времени свойств пород, учитываются наклонное расположение, глубина залегания породных слоев и пластов, форма, размеры и пространственное положение камер и угольных целиков.

2. Для учета изотропных, трансверсально-изотропных или ортотропных свойств горных пород разработан обобщенный вариант матрицы упругих характеристик, который с помощью величин модулей упругости и коэффициентов Пуассона позволяет учитывать свойства пород со слоистой структурой в направлениях, нормальном к плоскости изотропии, и параллельном этой плоскости.

3. Предложен метод глобальной нумерации узлов, позволяющий сократить вычислительные ресурсы компьютера при численном решении трехмерных задач. Для получения минимальной ширины полосы матрицы жесткости нумерация узлов производится в порядке возрастания количества узловых точек по координатным осям, что позволяет уменьшить ширину полосы матрицы жесткости и объем используемой оперативной памяти компьютера в 2−3 раза.

4. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ «MGP program complex», в котором программы интерфейсной части написаны в среде Borland Delphi в виде исполняемых приложений, а программы расчетной части — на языке Microsoft Fortran PowerStation в виде консольных приложений. Все программы комплекса реализованы в виде проектов, функционирующих под управлением среды разработки Microsoft Developer Studio.

5. Разработан критерий устойчивости системы «междукамерные целики — подработанные породы кровли» как отношение суммарной площади разрушения целиков к площади выработанного пространства, согласно которому уменьшение целиков в 1,7 раза приводит к увеличению площади их разрушения в 8,3 раза для условий проведения эксперимента, что позволяет предотвратить массовое разрушение угольных целиков (явление коллапса).

6. Проведены вычислительные эксперименты с применением разработанного комплекса программ для обоснования геомеханических параметров различных вариантов систем разработки с короткими забоями. Использование результатов численного моделирования позволяет прогнозировать предаварийные ситуации и обеспечивать профилактику опасных явлений при подземной разработке угольных пластов.