Введение к работе
Диссертационная работа была начата в Белорусском государственном университете в 1999 году под руководством проф. Журавкова Михаила Анатольевича и завершена в 2004 году в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова под руководством проф. Дубровского Владимира Анатольевича.
Актуальность темы. Техногенное вмешательство человека при
освоении и эксплуатации земных недр нарушает равновесие окружающей среды, как правило, крайне неблагоприятным образом. Проблемы безопасного проведения работ по освоению подземного пространства и возведения в нем сооружений диктуют необходимость проведения разнообразных фундаментальных и прикладных исследований. Количество и острота проблем, порождаемых техногенным вмешательством, как с точки зрения безопасности при создании и эксплуатации подземных сооружений, так и с точки зрения экологии природной среды, существенно опережает накопление опыта решения или хотя бы их нейтрализации непосредственной практикой горного дела. Статистика катастрофических явлений в горном деле настоятельно требует развития представлений о поведении массива при техногенном воздействии и тщательного выбора подходов для адекватного описания поведения массива горных пород.
Целью работы является построение математических моделей массива горных пород для. выработки методов решения задач геомеханики и компьютерного моделирования различных горно-геологических ситуаций, разработка методологии компьютерного моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту,
заключаются в следующем:
Впервые дана математическая постановка проблемы для нахождения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород с учетом как геодинамического воздействия этого массива с соседними массивами, так и влияния тектонической структуры этого массива;
На этой основе построена и численно реализованная математическая модель НДС породного массива в упругой постановке; показано, что модель адекватно представляет массив в ненарушенном состоянии и является полноценной основой для изучения НДС массива в окрестности разломов и магистральных трещин;
На основе разрабатываемой в настоящем времени синтетической теории прочности разработан метод представления НДС массива горных пород в окрестности протяженной горизонтальной выработки, где предел упругости заведомо превзойден; метод реализован в виде алгоритма определения
СПетерОУрг (r(/0\
напряжений в окрестности выработки, с учетом структуры материала и характерного размера элементов этой структуры; данное положение предлагается впервые и является новым научным результатом.
Выполнено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния длинных очистных лав третьего калийного горизонта Старобинского месторождения калийных солей с использованием аналитических и экспериментальных данных.
На основе анализа аналитических решений и экспериментальных данных, а также возможностей современных компьютерных программ, выработаны методические рекомендации для использования компьютерного моделирования в описании поведения геомеханических процессов породного массива.
Научная новизна работы заключается в использовании новых
представлений о механизме поведения массива за пределом упругости для исследования и оценки изменений напряженно-деформированного состояния массива и подземных сооружений, в сочетании экспериментальных и теоретических данных, в использовании компьютерных технологий.
Методы исследования включают аналитические методы механики твердого тела, численный метод (метод конечных элементов) для решения задач об оценке напряженного состояния породного массива; анализ и обобщение результатов натурных и лабораторных экспериментов.
Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач и методов их решения; сравнением результатов тестовых расчетов с аналитическими решениями соответствующих задач; анализом экспериментальных данных и численных решений, полученных при моделировании реальных объектов.
Практическую значимость составляет предложенная в диссертации
методика получения решения краевых задач при компьютерном
моделировании напряженно-деформированного состояния породных массивов, которая позволяет обосновывать технологии разработки полезных месторождений в сложных геомеханических условиях и в зонах влияния геологических нарушений. Представленные в работе исследования проводились в соответствии с плановой тематикой научной школы академика Е.И. Шемякина «Теоретические и экспериментальные исследования необратимого динамического деформирования, физико-химических превращений и разрушения сплошных сред с учетом воздействия внешних полей»; проектами РФФИ.
Реализация исследований. На основе проведенных в работе аналитических и численных исследований с учетом экспериментальных данных обоснована перспективная технология отработки третьего калийного горизонта
длинными очистными лавами месторождения калийных солей ПО «Беларуськалий» (Белоруссия). Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния породного массива Старобинского месторождения вблизи выработок, ослабленных геологическими нарушениями. Проведенное компьютерное моделирование использовано при выполнении семи хоздоговорных тем БГУ для ПО «Беларуськалий (Беларусь, МинскУподробные сведения о реализации исследований приведены в конце автореферата/.
Апробация работы. Отдельные результаты работы в целом
докладывались и обсуждались:
на ежегодных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов БГУ (Минск, май 1999-2001);
на Международной конференции «ХШ Белорусская математическая конференция» (Минск, июнь 2000);
— на Международной конференции «Mine Surveying conference»
(Болгария, июнь 2001);
на Международной конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности в теоретической и прикладной механике» (Минск, декабрь 2001);
на семинаре кафедры волновой и газовой динамики МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2002-2003);
на научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, апрель 2002-2003);
~ на Воронежской весенней математической школе «Современные методы теории краевых задач. Понтрягинские чтения - XIV» (3-9 мая 2003, Воронеж)
— на международной научной летней школе молодых ученых
Баугхаузского университета «Advanced Studies in Structural Engineering and
CAE» (4-16 августа 2003, Ваймар, Германия)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них одна книга и одно учебно-методическое пособие.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех
глав, заключения и списка используемых источников из 135 наименований и содержит 120 страниц, включая 35 рисунков и 9 таблиц.
Благодарности. Автор глубоко признателен своему Учителю академику Е.И. Шемякину за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации, а также выражает искреннюю благодарность научным руководителям профессору МЛ. Журавкову и профессору В.А. Дубровскому,
д.ф.-м.н. профессору М.Р. Короткиной, д.ф.-м.н. А.Ф. Ревуженко, д.ф—м.н. О.П. Бушмановой,д.ф.-м.н. А.И. Иванову.
