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

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 A.A., Бич Я. А., Ковалев О. В., Комиссаров C.B., Лабазин В. Г., Линьков A.M.,.

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:

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 выработокметоды современного математического моделированияшахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей целиков, форм обрушений пород непосредственной кровли в подготовительных выработкахрегистрация и анализ величин смещений почвы и кровлисравнительный 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.

Выводы по главе 4.

Таким образом, из полученных результатов следует, что:

1. На глубине отработки пласта 350 метров состояние МШЦ в зоне опорного давления (сечение 1−1) ив целике у конвейерного штрека в зоне дополнительной пригрузки от зависающей кровли (сечение 2−2) возможно развитие горного удара. В других же сечениях (3−3, 4−4, 5−5) состояние целиков оценивается как неудароопасное.

2. Для глубины 250 метров опасности по ГУ не наблюдается.

3. При увеличении глубины отработки до 500 метров возможность проявления ГУ в целиках становится наиболее вероятной.

4.На глубине ниже 300 метров необходимо применение специальных мер по приведению целиков в неудароопасное состояние.

5. Основными и наиболее широко применяемыми являются способы предотвращения ударов, предусматривающие изменение механических свойств угольного пласта путем его разрыхления и снижения способности к накоплению потенциальной энергии вблизи обнажения (камуфлетное взрывание, нагнетание воды в пласт, бурение разгрузочных скважин повышенного диаметра). Возможно также приведение участков пласта угля (особенно целиков) в неудароопасное состояние путем подрезки канатной пилой, врубовой машиной с удлиненным баром и др.

6. Выполнена оценка механических состояний междуштрековых целиков. Показаны условия формирования удароопасных состояний в междуштрековых целиках при парной схеме подготовки. Результаты могут являться базовыми данными при разработке спецмероприятий по безопасной выемке пласта «52». Предложены мероприятия по приведению целика в неудароопасное состояние.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается решение актуальной задачи разработки методики моделирования напряженно-деформированного состония слоистого массива горных пород при отработке угольных пластов высокопроизводительными очистными забоями с многоштрековой подготовкой выемочных столбов, имеющей существенное значение при подземной разработке пологих пластовых месторождений.

Основные научные и практические результаты:

1. Разработана горно-геомеханическая модель слоистого углевмещающего массива горных пород для условий Ерунаковского месторождения.

2. На основе моделирования горно-геомеханических процессов установлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния слоистого углевмещающего массива, в частности, компонентов тензоров деформации и напряжения, а также вектора перемещений, техногенно нарушенного отработкой столбовых систем разработки.

3. Установлена зависимость коэффициентов концентрации напряжений в краевых частях выемочных столбов (зависимость вертикальных напряжений) от длины лавы, строения и мощности непосредственной и основной кровли, контактных условий на границе раздела ответственных элементов массива.

4. Выявлено, что основными факторами, определяющими нагрузку на краевые части массива, являются величина пролета выработанного пространства (длина лавы) и степень подбучивания в выработанном пространстве вышележащих слоев обрушенными породами.

5. Установлен качественный характер распределения опорного давления в краевых частях массива горных пород в зависимости от ширины охранного целика для действующих (250−300 м) и перспективных (350−500 м) глубин Ерунаковского месторождения.

6. Разработана методика расчета высоты зоны беспорядочного обрушения горных пород и значения коэффициента разрыхления пород в выработанном пространстве и его взаимосвязь с деформационными характеристиками обрушенных пород, которые формируют «отпор» в выработанном пространстве лав при сдвижении подработанного слоистого углевмещающего массива.

7. Разработана методика пошаговой оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке длинных столбов для характерных моментов: «до обрушения основной кровли», «до подбучивания» налегающих пород, «до образования плоского дна мульды сдвижения», на момент полных оседаний подработанной толщи.

8. На основе анализа динамики изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород для характерных этапов отработки столба получена методика расчета деформационных параметров ответственных элементов углевмещающего массива от факторов действующих напряжений и деформаций.

9. Разработана методика моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в течение оседания всех подработанных слоев — от момента обрушения непосредственной кровли до полных оседаний земной поверхности.

10. Разработан алгоритм моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород нарушенного отработкой длинно столбовых систем разработки, в которой используются полученные в процессе исследований зависимости по расчету геометрических и деформационных характеристик обрушенных пород как функции коэффициентов разрыхления, и деформационных характеристик характерных зон массива «испытывающих» напряжения превышающие предельные.

11. На базе разработанной методики произведена оценка удароопасности целиков шириной 28, 30 и 32 м для действующих (250 м) и перспективных (350−500 м) глубин отработки пластов Ерунаковского месторождения для различных этапов отработки очистных забоев с парной подготовкой.