Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Производство горных работ сопровождается механическими процессами, которые скрыты от наблюдателя и их трудно обнаружить экспериментально. Предметом наблюдения обычно являются заключительные стадии механических процессов - так называемые проявления механических процессов, или проявления горного давления (сползание породных откосов, разрушение породных цадиков, смещение породных обнажений, горные удары, внезапные выбросы пород и угля и т.д.). Эти динамические явления наносят существенный ущерб в виде травматизма людей, повреждения выработок и карьеров, снижения темпов добычи полезных ископаемых. При этом с ростом обьемов добычи полезных ископаемых и глубины разработок проблема становится острей. В последние годы благодаря фундаментальным исследованиям, а также натурным наблюдениям и измерениям эти явления стали лучше контролироваться. Тем не менее эта проблема до сих пор остается актуальной для горного производства, а точность прогноза динамических явлений пока недостаточна. Трудности при экспериментальном исследовании механических процессов связаны еще и с тем, что породный массив является сложной иерархически-стохастической системой.
Так как определение механических характеристик производится на небольших образцах, отбираемых либо при бурении скважин, либо при проходке подземных выработок, эти данные нельзя использовать для характеристики массива; при испытании больших образцов из-за недостаточной мощности нагрузочных устройств не удается получить полные кривые напряжении - деформаций. Путем измерения скорости упругих волн для массива могут быть получены только упругие характеристики, и то при определенном условии по однородности и частотному спектру упругих волн. Данные ограничения затрудняют также исследования горных пород как составляющих внутреннего строения породного массива.
Анализ результатов исследований поданной проблеме показывает, что многочисленные аналитические и численные исследования с применением ЭВМ, как правило, выполняются в рамках механики деформируемого твердого тела <МДТТ). Среди работ, вы-полненнных в рамках МДТТ, для исследования механических процессов в породных массивах принципиальное значение имеют труды Кармана, Прандтля и ученых нашей страны Л.СЛейбснзо-
на, С.А.Христиановича, А.Ю.Ишлинского, С.Г.Михлина и др., а для исследования различных способов и систем разработок месторождений - труды И.В.Баклашова, А.М.Гальперина, Л.В.Ершова, М.А.Иофиса, Б.А.Картозия, Г.Н.Кузнецова, С.В.Кузнецова, С.Г. Лехницкого, A.M. Линькова, М.Е.Певзнера, И.М.Петухова, В.Н.Попова, А.Г.Протосени, В.В.Ржевского, В.Н.Родионова, А.Н.Ставрогина, ГЛ.Фисенко, В.В.Ходота, Е.М.Шафаренко, Е.И.Шемякина и др. Построение математических моделей в рамках МДТТ наряду с положительными моментами обладает рядом недостатков. В одних случаях используется идеализация - породный массив рассматривается как упругое тело, состоящее из бесструктурных частиц, а трещины в нем - как надструктурные образования. В других - породный массив рассматривается как упругая неоднородная среда, что существенно осложняет задачу: возникает довольно сложная проблема, которую называют проблемой осреднения. Очевидно, что упругие характеристики горных пород, составляющих массив, не дают сведений об упругих характеристиках массива как целого. Трудность перехода к средним упругим характеристикам обусловлена отсутствием теоретически обоснованной процедуры нахождения средних характеристик для данного случая.
Проблема осреднения частично решена для горных пород и минералов методами механики микронеоднородных сред для упругой области (К.С.Александров, Б.А.Беликов, Т.В.Рыжова), требующими соблюдения определенных условий в части однородности, и совсем не решена в случае неупругих характеристик. Эти же методы используются для определения средних упругих напряжений на структурном и текстурном уровнях горных пород (М.Г.Зильбершмидт), однако их применение оправдано лишь в некоторых случаях - для мономинеральных горных пород без примесей.
Согласно общей теории иерархических систем, в породном массиве должны использоваться осреднения, при которых происходит подъем с более низкого на более высокий уровень. Однако чисто элементов на уровне определяет объем, в котором должно формироваться коллективное свойство и по которому, следовательно, должно производиться осреднение, обеспечивающее необходимое условие подъема на более высокий уровень. Указанный объем увязан с масштабами неоднородности и нарушенное, которые различны для различных уровней и должны быть определены при исследовании механических процессов.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости разработки научного направления физики процессов горного производства - теории механических процессов в породних массивах с различными уровнями масштабов неоднородности и нарушенно-стн при ведении горных работ.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ разработка основных положений теории механических процессов в породных массивах с масштабами неоднородности и нарушенное на различных иерархических уровнях.
ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в разработке теории механических процессов, основанной на представлении о породном массиве как иерархически-стохастической системе и закономерностях перераспределения напряжении и трепннкхчн'дзоьа-ния на различных иерархических уровнях с учетом масштабов неоднородности и нарушенности.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Выполненный комплекс исследований включает математическое моделирование и численную реализацию на ЭВМ в сравнении с известными точными решениями г, простейших случаях и с натурными и экспериментальными
(лабораторными) исследованиями для отдельных объектов.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ - горные породі* г-.:з ;;чі:ои структуры к текстуры, породный массив.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ьиьо-имые на лл-щиту:
закономерности влияния масштабов неоднородном.чі иерархических уровней на свойства минералов, горных пород и породных массивов, установленные в результате анализа критерия согласия как функционала с областью определения на функциях распределения параметра. Функционал является монотонно убывающей функцией от объема и носит однозначный, двоякий н многозначный характер для структурного, текстурного и поро.moto уровней соответственно;
метод расчета масштабов неоднородностей для минералов, горных пород и породных массивов, разработанный в результате анализа стохастических уровней: структурного, текст\рно:о и породного на однородность через приближенную инвариант holts, oi-ноентельно трансляций;
- возникновение новых иерархических уровнен, в которых
формирование коллективных свойств осуществляется в объемах.
увязанных с масштабами нарушенности, происходит в процессе трсшинообазования в породных массивах;
элементы симметрии любого физического свойства минералов и мономинеральных горных пород равномерно-зернистой структуры должны включать макроскопические элементы статистической симметрии структуры;
обнаружение и количественная оценка неоднородности полиминеральных горных пород, обусловленных неравномерным распределением минералов, осуществляется построением ячеек типа Вигнера-Зейтца, когда в качестве включений взяты составные единицы текстуры;
свойства полиминеральных горных пород определяются свойствами соответствующего структурного Vc и текстурного VT элементарных объемов; свойства породного массива - свойствами структурного Vc, текстурного VT элементарных объемов и элементарного объема породного массива;
свойства трещиноватых горных пород определяются свойствами структурного, структурно-нарушенного, текстурного и текстурно-нарушенного элементарных объемов; свойства трещиноватых породных массивов - свойствами структурного, структурно-нарушенного, текстурного, текстурно-нарушенного элементарных объемов и свойствами элементарных объемов ненарушенного и нарушенного породного массива;
существуют горные породы и породные массивы, деформационные свойства которых в принципе невозможно определить из-за того, что не удается весь их объем покрыть ячейками типа Вигне-ра-Зснтца и в состав входят минералы и горные породы, объемы которых меньше структурного и текстурного соответственно;
метод иерархически-стохастического моделирования с масштабами неоднородности и нарушенности деформационных свойств горных пород и механических процессов в породных массивах при различных способах ведения работ;
интенсивность трещинообразования при влиянии газа и соединения трещин в конфигурации ведет к возникновению новогр иерархического уровня, искажающую переданные ему свойства в виде упругости, через которые может просачиваться газ по всей толще пласта - бесконечный кластер или - в ограниченной области -конечный кластер. Геометрический фазовый переход второго ролл uvi конечный - конечный и конечный - бесконечный кластеры) nrv(-v.»і!{л іл выброс пород (угла) и газа;
- иерархия неустончивостей в конфигурационной неустойчи
вости трещин, допускающая относительное смещение породных
частиц реализуется через интенсивность образования и захлопы
вание трещин, которая ведет к возникновению нового иерархиче
ского уровня, не обладающего переданнным ему свойством п виде
упругости. Геометрические фазовые переходы первого рода (бес
конечный - конечный и конечный - бесконечный кластеры) с мас
штабами неоднородности и нарушенности на вновь возникших
иерархических уровнях ведут к проявлениям механических про
цессов: на структурном и текстурном уровнях в объемах, сравни
мых с элементарными обьемами Vc и \Ч, - к стрелянию; на пород
ном уровне во всем обьемс горной породы - к толчкам и микроуда
рам; на уровне породного массива в обьемах, сравнимых с элемен
тарным обьемом массива, - к горному удару.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в:
установлении критериев изучения закономерностей влияния масштабов неоднородностей на свойства минералов, горных пород и породных массивов;
установлении закономерностей возникновения новых иерархических уровней с масштабом нарушенности;
разработке метода обнаружения и количественной оценки неоднородности типа неравномерного распределения минералов;
установлении зависимости свойств полимннеральных горных пород и породных массивов от свойств иерархических уровней с масштабами неоднородности;
установлении зависимости свойств трещиноватых горных пород и породных массивов от свойств, возникших при трещннообра-зовании, иерархических уровней с масштабами нарушенности;
обнаружении горных пород и породных массивов, деформационные свойства которых в принципе невозможно определи!!,;
обосновании представлений об иерархически-стохастическом строении горных пород и породных массивов как о сложных системах, деформационные свотва которых описываются иерархически-стохастическими моделями с масштабами неоднородности и нарушенности;
обосновании представлении о механических процессах в породных массивах как о процессах, протекающих на различных иерархических уровнях, которые описываются иерархнчески-оо-
хастическими моделями с масштабами неоднородности и нарушенностн;
установлении зависимости интенсивности трсщинообразова-ния от газоносности и иерархии н суетой ч и воете й в конфигурационной неустойчивости трещин;
определении напряжений в минералах, зернах на контуре выработки в зависимости от анизотропии упругих свойств, ориентации зерен и величины концентрации напряжений в условиях взаимного влияния выработок и в породах в прибортовом массиве в зависимости от формы профиля по глубине борта карьера;
установлении зависимости проявлений механических процессов в виде горных ударов и внезапных выбросов от геометрических фазовых переходов в различных объемах иерархических уровней горных пород и породного массива.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных поло-женин, выводов и рекомендаций обеспечивается:
корректностью постановки теоретических задач, решением тестовых примеров и сопоставлением получаемых результатов с данными, полученными апробированными и признанными программными средствами для более простых объектов - мономинеральных горных пород равномерно-зернистой структуры;
сходимостью результатов численного моделирования с данными, полученными анхтитически в вырожденном случае, когда среда изотропная и плоская;
соответствием подходов, использованных автором, фундаментальным исследованиям в общей теории сложных систем.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ СОСТОИТ: 1)в создании комплекса алгоритмических разработок и банка математических иерархически-стохастических моделей с масштабами неоднородности и нарушенностн эффективных упругих и неуп-ругнх свойств, которые служат управляющим параметром проявлений механических процессов в виде горного удара и внезапных выбросов; 2) в разработке теоретических моделей механических процессов в породных массивах с масштабами неоднородности и нарушенностн на различных иерархических уровнях, которые позволяют описывать механические процессы в целом при ведении горных работ и тем самым выявлять скрытую о. наблюдателя на-ч.ілш; ю стадию механических процессов в глубине породных мас-> инлв. что обеспечивает безопасность горных работ в сложных гео-> ч:ч.» ких. условиях на больших глубинах; 3) в разработке метода
контроля удароопасности и выбросоопасности при ведении горных
работ.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы в виде алгоритмических разработок и банка математических моделей с масштабами неоднородности и нарушечностн эффективных: деформационных сьойстг. ;; механических процессом в породных массивах м:> различны;; иерархических уровнях, переданные в виде программного продукта дл,' ЭВМ п информационно-технический нентр "Куз;:ец;суголь", служат для обеспечения информацией горных предпрн ггнй іі проектных организаций и использумтс-' дл і прогнозирования горнодішамцческих явлений. Результаты работ їй н виде методики инженерного расчета удароопасности и выбросоо-пягжч'ти при йсдспі'.іі горных работ используется «а;; сестагна" часть комплексного подхода к прогнозированию и ям::тро.-.!~ проявлений механических процессов в породных массивах в акционерном обществе Угольная компания "Кузнецкуголь".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались на III семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985), во Всесоюзной научной школе по деформированию и разрушению материалов с дефектами и динамическим явлениям в горных породах и выработках (Симферополь; 1983, 1985), на VIII Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием ivy1;-но-исследоватедьских институтов (Москва, 1984).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации выпушена моноір.іфн'.! и опубликовано восемь научных статей.