Введение к работе
Актуальность работы. До настоящего времени во всем мире горное давление около горных выработок и сдвижение горных пород, включая деформацию дневной поверхности, исследуются, как правило, независимо друг от друга. При этом исследования горного давления основаны преимущественно на результатах расчета и измерения напряжений и деформаций, на результатах шахтных наблюдений и физического моделирования состояния и поведения горных пород около выработок. Исследования сдвижений горных пород ограничены в основном эмпирическим подходом к решению соответствующих задач, исходя из результатов маркшейдерских наблюдений преимущественно на дневной поверхности или около охраняемых капитальных сооружений на значительных расстояниях от места развития выработанного пространства. Во многих случаях такое разделение исследований имеет определенные преимущества, но оно исключает возможность судить о развитии деформационных процессов во всем подрабатываемом массиве вплоть до дневной поверхности и, тем более, прогнозировать как поведет себя толща горных пород при определенных особенностях проявления горного давления около выработанного пространства. До недавнего времени недостаточно точные оценки поведения массива горных пород и, в частности оставляемых при отработке пластообраз-ных залежей целиков, вызывались прежде всего несоответствием упрощенных расчетных моделей природной сложности инженерно-геологических условий и реальным механизмам деформирования массива. Поэтому острую актуальность приобретают вопросы построения и реализации адекватных моделей, описывающих состояние и поведение массивов горных пород. В связи с тем, что в настоящее время накоплен обширный материал натурных наблюдений за сдвижениями горных пород и получили большое развитие аналитические и численные методы решения задач геомеханики, представляется возможным выработать концепцию единого подхода к описанию состояния и поведения подрабатываемой толщи, что позволит на новом уровне осуществлять выбор модели массива горных пород с соответствующими эффективными параметрами и прогнозировать развитие деформационных процессов вплоть до дневной поверхности.
Главная цель работы. Разработка теории деформирования массива горных пород при проведении горных выработок в процессе отработки пологопадающих пластообразных залежей на основе адекватного математического описания и ее приложение к изучению общих закономерностей перераспределения напряжений и деформаций в мас-
сиве горных пород в связи с прогнозом проявлений горного давления и сдвижений горных пород.
Главныемдеи работы состоят в разработке и применении в исследованиях концептуальных и математических моделей, отражающих единый подход к оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород вблизи подземных выработок и оценке параметров сдвижения горных пород, включая земную поверхность; трансформации задачи теории упругости для многосвязной области, т.е. для области с несколькими отверстиями, характерной для геомеханических задач о совместном деформировании целиков и массивов со стороны кровли и почвы выработки, в контактную задачу с заданным наперед характером взаимодействия контактирующих поверхностей.
Методы исследований включают:
- методы решения краевых задач теории функции комплексного
переменного;
- аналитические и численные методы расчета напряженно-
деформированного состояния массива горных пород;
анализ данных натурных наблюдений за оседаниями земной поверхности;
методы обработки и построения апроксимирующих зависимостей для данных, измеренных непосредственно в массиве;
Основные задачи исследования:
1. Построение точных и асимптотических аналитических решений
краевых задач геомеханики для одно- и многосвязных областей, отра
жающих характерные особенности развития выработанных пространств
при отработке пластообразных залежей на больших глубинах.
-
Анализ и теоретическое обобщение результатов натурных съемок сдвижения подрабатываемых толщ горных пород.
-
Численные решения основных задач геомеханики при существенном влиянии дневной поверхности и слоистой неоднородности массивов горных пород на развитие деформационных процессов в подрабатываемой толще. Корректировка соответствующих аналитических решений.
-
Установление определяющих параметров основных элементов сдвижения горных пород и согласование их с определяющими параметрами соответствующих краевых задач геомеханики на основе сравнительного анализа результатов расчета и натурных наблюдений.
-
Установление и описание на основе решений краевых задач геомеханики закономерностей и характерных особенностей перерас-
пределения напряжений и развития смещений в подрабатываемых массивах горных пород в зависимости от горно-технических параметров.
-
Развитие теоретических основ прогнозирования зон расслоения и обрушения горных пород около выработанного пространства и основных элементов квазистатическиго оседания дневной поверхности.
-
Развитие представлений о механизме горных ударов на основе решения краевых задач геомеханики о взаимодействий разделительных целиков и вмещающих горных пород, отражающих различные технологические ситуации при разработке пластообразных залежей полезных ископаемых.
Основньїе-Хіиииіаемь/емаложешя;
-
Методический подход к анализу состояния и поведения массива горных пород при отработке пластообразных залежей состоящий в том, что он позволяет связать проявления горного давления около выработанного пространства и сдвижения горных пород в подрабатываемой толще с выходом на дневную поверхность в рамках единой деформационной модели - двухслойной модели массива горных пород. При этом горные породы основной кровли выработки моделируются упругим слоем, а воздействие налегающих пород заменяется соответствующей нагрузкой. В зависимости от постановки исследуемых задач используется либо сама двухслойная модель, либо ее предельные варианты - модель для гюлуплоскости с разрезом или модель для неограниченной плоскости с разрезом»
-
Деформирование дневной поверхности описывается апрокси-мирующими зависимостями с соответствующими определяющими параметрами, построенными на основе обработки результатов натурных съемок сдвижения горных пород.-Точность апроксимации позволяет при анализе состояния и поведения массива горных пород вместо эмпирических зависимостей использовать соответствующие алроксимирую-щие соотношения. Значения определяющих параметров получаются с использованием метода апроксимации экспериментальных данных. основанного на минимизации квадратичного функционала отклонения измеренных от рассчитанных величин оседания земной поверхности. Среди алгоритмов, реализующих этот метод, наиболее эффективными являются алгоритм случайного іхжка и интерактивный Алгоритм, разработанные для PC Простой приближенный алгоритм, описанный л работе, позволят находить, значении определяющих іирам*чроа им использования иычисдительной техники.
-
При оіраоогке. iuwmx>optVttKiH залежи и крсчиїе очистной иы-раоогки происходи г перераспределен*» исходных напряжений и масси-
»
ве и возникают зоны растягивающих вертикальных и горизонтальных напряжений, ответственных за расслоение налегающего массива и разрывы слоев с раскрытием вертикальных трещин. Закономерности, описывающие условия возникновения этих зон и изменение их параметров по мере развития выработанною пространства. Закономерности сдвигового разрушения горных пород над краевыми частями отработанного участка пласта, определяющие критическую длину выработки по отношению к внезапной посадке кровли.
-
Характер деформирования и общие закономерности перераспределения напряжений и деформаций в массиве горных пород при разработке гшастообразньїх залежей с оставлением разделительных целиков в выработанном пространстве определяется универсальной поверхностью неразрывности взаимодействия, зависящей от единственного параметра, предстааляющего собой комбинацию деформационных и технологических параметров задачи - критерия подобия массивов. Оригинальность подхода при решении краевых задач геомеханики в данном случае состоит в раздельной постановке задач для горных массивов со стороны кровли, со стороны почвы пласта и собственно целиков с последующим сопряжением полученных решений. При этом де-формационно-прочностньїе свойства целиков определяются интегральной диаграммой "напряжение-деформация", имеющей как правило допредельную и запредельную ветви деформирования.
-
Массив вмещающих горных пород и целики нагружаются и деформируются квазистатически при изменении протяженности выработанного пространства, если напряженно-деформированное состояние целиков описывается допредельной ветвью диаграммы "напряжение-деформация*. Функциональнье связи между гсрногеологическими, технологическими и геомеханическими параметрами, при которых сохраняется устойчивое равновесное состояние горного массива определяются из совместного решения соотношений деформирования целика и неразрывности взаимодействия.
-
Механизм горных ударов в целиках и условия их проявления при разработке гшастообразньїх залежей, связанный с переходом на-пряжеі^ю-деформированною состояния целика на запредельную ветвью диаграммы 'напряжение-деформация* в процессе развития очистного пространства.
-
Принцип симметрии нагруженности панельных целиков и разработанный на этой основе метод определения оптимальных npcvwrou очистною пространства.
НафнаялоОизнз роботы.
Основная часть результатов данной работы на момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые. Важнейшие результаты, полученные в диссертационной работе, следующие:
аналитические решения задач геомеханики для протяженных выработок при отработке пластсобразных залежей с оставлением и без оставления разделительньи целиков з пределах очистного пространства;
закономерности перераспределения исходных напряжений в массиве горных пород по мере развития очистного пространства;
критерий подобия массивов горных пород относительно перераспределения в них напряжений и сжатия разделительных целиков;
существование единой универсальной поверхности непрерывности взаимодействия вмещающих горных пород и целиков, независимой от свойств последних;
условия проявления горных ударов, при выполнении которых квазистатическое сжатие целика вмещающими породами самопроизвольно переходит в динамическое сжатие, сопровождающееся потерей его несущей ахххбнссти;
закономерности проявления горных ударов в зависимости от глубины разработки пласта от дневной поверхности, его мощности, деформационньїх свойств вмещающих горных пород и целика, полноты закладки отработанных участков пласта;
алгоритмы математического моделирования ударсопасных ситуаций при основных технологических вариантах отработки пластов, различных знамениях геомеханических параметров горных массивов и закладки выработанного пространства и при различных диаграммах "нагфяжение-дес&ормация" целика;
методология оценки знергегического уровня и динамического показателя горного удара;
численный метод решения краевых задач геомеханики, являющийся развитием метода граничных смещений для многосвязных областей и алгоритм его реализации для численного моделирования напряженного состояния и сдвижения горных пород;
эмпирические соотношения для расчета значений основных длементов сдвижения горных пород, коэффициенты которых определяются на основе апроксимации данных натурных наолюдении с использованием метода наименьших квадратов и оаооанные **л нем алгоритмы случайного поиска, интерактивного поиска и др.;
аналитические решения задач и алгоритмы численной реализации их с учетом критериев разрыва и сдвигового разрушения в кровле очистной выработки;
общие закономерности распределения напряжений вокруг отработанных участков пласта, развития деформационных процессов и нагрузок на панельные целики с учетом их податливости;
закономерности формирования зон растягивающих напряжений в зависимости от горногеологических, геомеханических и технологических параметров, границы области прогнозируемого нарушения сплошности. В случае критерия Кулона-Мора выписано критическое отношение толщины слоя к пролету зависающей кровли от угла внутреннего трения, коэффициента сцепления и исходного горного давления;
метод определения параметров апроксимирующей функции оседания земной поверхности, которая является комбинацией интегралов вероятности Гаусса. В основу метода положена минимизация квадратичной формы отклонений измеренных величин;
принципиально новым в геомеханике является результат, связанный с распространением оседания подрабатываемой толщи горных пород до дневной поверхности. Суть его состоит а том, что изменение величины оседания пород происходит только до расстояния от пласта, сравнимого с протюкеннсстъю зависающей кровли отработанного участка Выше оседание горных пород остается практически постоянным.
MQarKeepHxmbJiwwzположений ^.выводов определяется:
- корректной постановкой теоретических задач;
применением современных апробированных методов расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород
сопоставммсстью результатов исследовании, проведенных различными методами;
ссоостааимсстью результатов исследований с данными натурных наблюдений.
/Змюгелвсш? ікмимость
Установленные в последние годы закономерности развития деформационных процессов а толще горных пород и зависимости параметров этих процессов от основных влияющих факторов составляют научную основу управления геомвханическим состоянием геологической среды, т.а приведение зтаго состояния а соответствие с принятыми системами рлірлоотки полезных ископаемых. При лом управлений осуществляется путем научно сюосноаанного иы6ор<» таких napaMwipcw
и порядка ведения горных работ, взаимного положения выработок относительно друг друга и других технических характеристик систем разработки, при которых развитие геомеханических процессов в геологической среде будет происходить в заданном направлении и в допустимых пределах.
Для решения практических задач горного дела наибольший интерес представляют факторы, определяемые проектом, т.е. те факторы, путем изменения которых можно управлять развитием геомеханических процессов в толще горных пород и на земной поверхности. К ним относятся, прежде всего, технологические параметры. Правильный выбор этих параметров невозможен без точной количественной оценки их влияния на развитие деформационных процессов в массиве горных пород.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации были представлены на ряде всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе на X международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), международном симпозиуме SRM-95 "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Пермь, 1995), 1-ой международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки угля" (Тула, 1996), международной конференции "Геомеханика в горном деле"-9б (Екатеринбург, 1996), Международной конференции "Горная наука на рубеже XXI века" (Пермь, 1997), XI Российской конференции по механике горных пород с иностранным участием (Санкт-Петербург, 1997), международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения" (Екатеринбург, 1998), научных семинарах ИПКОН РАН (Москва, 1979, 1983, 1993, 1997).
Публикации.