Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей шахтного и подземного строительства является обеспечение надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений. Наиболее важным и надежным источником информации о работе конструкций подземных сооружений являются натурные исследования, заключающиеся в измерении различных компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС), характеризующих совместную работу крепи горных выработок и обделок подземных сооружений с массивом горных пород. Натурные измерения выполняются ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами: ВНИМИ, ГоИ КНЦ РАН, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, МГГУ, ОАО «НИПИИ Ленметрогипротранс», ЦНИИС транспортного строительства и др.
Разработанные на сегодняшний день методы оценки надежности строительных конструкций в основном применяются для объектов, расположенных на дневной поверхности. Для подземных сооружений такие методы практически отсутствуют, а имеющиеся методы, как правило, позволяют приближенно оценить надежность подземных конструкций с позиций обычной строительной конструкции без учета специфики геомеханических особенностей их работы в подземных условиях.
В настоящее время экспериментально-аналитические методы оценки надежности многослойных конструкций подземных сооружений отсутствуют.
В связи с этим разработка метода оценки надежности конструкций подземных сооружений с учетом их геомеханического взаимодействия с массивом горных пород и максимальным использованием результатов натурных измерений является актуальной задачей шахтного и подземного строительства.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319, Соглашение № 14.В37.21.0580).
Целью работы является уточнение закономерностей для вероятностной оценки фактической надежности многослойной круглой крепи протяженных горных выработок и обделок подземных сооружений по результатам измерения компонентов напряжений или деформаций, полученных в натурных условиях.
Идея работы заключается в установлении уровня надежности конструкций подземных сооружений путем определения числовых характеристик функции неразрушимости конструкции при известных характеристиках случайных аргументов, полученных с использованием экспериментально-аналитического метода расчета и заданных неслучайных величин, характеризующих область исходных данных системы «крепь - массив».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- условие безотказного состояния крепи (обделки) определяется разностью между математическим ожиданием несущей способности крепи (обделки) и наибольшим начальным расчетным напряжением, устанавливаемым путем статистической обработки результатов натурных наблюдений за проявлениями горного давления;
- функция неразрушимости крепи (обделки) однозначно находится путем решения математической задачи теории упругости для плоскости с круглым вырезом, подкрепленным в общем случае неоднородным (многослойным) кольцом, в прямой (определение несущей способности) и обратной (определение наибольшего начального расчетного напряжения) постановке;
- функция неразрушимости конструкции описывается нормальным законом распределения, для которой числовые характеристики случайных величин определяются путем обработки результатов натурных измерений проявлений горного давления с использованием метода наименьших квадратов;
- надежность многослойной круглой крепи горных выработок и обделок тоннелей рассчитываются с помощью выражения А.Н. Красовского, путем введения уточненных коэффициентов, полученных с использованием статистической обработки результатов натурных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния в крепи (обделке).
Научная новизна основных результатов заключается в следующем:
- разработаны методологические положения оценки надежности крепи с использованием вероятностного подхода на основе решения плоской контактной задачи теории упругости для многослойного круглого кольца, подкрепляющего отверстие в линейно-деформируемой, однородной, изотропной среде, моделирующей массив пород, в обратной постановке, для определения фактических разрушающих напряжений в крепи, путем совместной обработки результатов разнородных измерений;
- на основе решения оценки надежности разработаны метод и алгоритм расчета многослойной крепи (обделки), позволяющие установить фактическую надежность крепи путем совместной обработки измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния, расположенных в пунктах измерения, имеющих произвольные радиальные и тангенциальные координаты;
- установлены зависимости фактической надежности крепи горных выработок и обделок подземных сооружений от прочностных характеристик материала крепи (обделок).
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы: методы математической теории упругости, теории вероятностей, математической статистики, программирования.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:
- использованием в качестве исходных данных характеристик геомеханического взаимодействия подземных конструкций с массивом горных пород, экспериментально полученных в натурных условиях;
- применением строгих аналитических решений, имеющих контроль правильности решений, а также абсолютной сходимостью результатов расчета одной и той же конструкции крепи при решении как прямой, так и обратной задач.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- разработан алгоритм и компьютерное программное обеспечения для оценки фактической надежности крепи с использованием метода совместной обработки результатов натурных измерений разнородных компонентов НДС;
- обоснованы вероятностные подходы и критерии надежности крепи (обделки) с использованием функции характеристики безопасности.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IV, V, VI Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (Тула, 2010, 2011, 2012 ), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2011), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (Тула, 2010, 2011, 2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 137 с., включая 32 рисунка, список литературы из 135 наименований.
