Введение к работе
Актуальность темы. Горное производство в условиях многолетней мерзлоты,- на территории которой сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых страны,# имеет ряд специфических проблем, связанных с прогнозом и управлением термомеханическим состоянием массивов горных пород (например, расчет крепи и управление устойчивостью горных выработок, расчет устойчивости откосов карьеров, управление состоянием массива многолетнемерзлых горных пород в основании фундаментов инженерных сооружений и т.д.) Такие задачи в обычных условиях решаются методами механики горных по'род. Для многолетнемерзлых горных пород (ММГП) применение только этих методов недостаточно, поскольку технологическое воздействие сопровождается изменением теплового режима пород, что ведет к изменению их физико-механических свойств и 'к проявлению их специфических ОСО-' бенностей.
Эффективность решения исследуемой проблемы во многом зависит от понимания и правильного описания процессов, протекающих в массиве ММГП в связи с ведением горных работ. Это требует систематического исследования температурного фактора, взаимовлияния процессов, протекающих в массиве. Моделирование тер-момехвнических процессов, как правило, производится без учета особенностей мерзлоты (зависимость механических характеристик ММГП от температуры и влажности, температурные деформации, деформации, возникающие вследствие фазового перехода поровой влаги, и пр.), что приводит к недостаточной точности прогноза результатов технологических воздействий на ММГП и создает неопределенность при проектировании зданий и сооружений, велении горных работ. Это влечет за собой неоправданно высокие коэффициенты запаса, зачастую не спасающие объекты от разрушений или приводящие к значительным затратам на строительство и эксплуатации на Севере.-.
b селзи с этим приобретает актуальность научная проблчма
разработки методов прогноза и управления терыомеханичесй№. состоянием (ТМС) массива ММГП, которые позволили бы учесть 'ОО новіше, определяющие его поведение, факторы в комплексе Ш совместного проявления, 'с максимально полным отражением гаро1-кого разнообразия особенностей массива ММГП и с наиболее полным учетом особенностей конкретного технологического воздействия.
Цель работы. Разработка математических средств прогноза
напряженно-деформированного состояния массива ММГП, основанных
на использовании механической модели, учитывающей изменение
механических характеристик горних пород и возникающие в масси
ве горных пород деформации немеханической причины, для управ
ления устойчивостью и повышения безопасности эксплуатации гор-,
ных выработок. .
Задачи исследования:
проведение анализа существующих теоретических моделей деформирования массива ММГП и моделей по определению нестационарного температурного поля в массиве ММГП с учетом фазовых переходов поровой влаги;
выбор математической модели процесса про'мерзания-прота-ивания ММГП (тепловая задача);
разработка математической модели напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг протяженной выработки круглого сечения (механическая задача); .
разработка и реализация алгоритмов решения тепловой и механической задач, а также выяснение степени влияния неупругих деформаций (температурных, вязко-пластических, на фронте Фазового перехода) на напряженно-доформированное состояние подземных сооружений, на примере осесимметрической задачи механики, учитывая зависимость свойств ММГП от температуры;
решение прикладных задач об определении термомеханического состояния вокруг вертикального ствола с использованием разработанных алгоритмов..
На защиту выносятся следующие научные положения:
на тормомеханическое состояние ММГП важнейшее влияние оказывают прямые и обратные связи взаимодействия полей томпе-ратур, влажностей и непряжений. Отдельные характеристики (теп-лофизические, механические и др.) могут быть линеаризованы в некотором интервале темпорчт/р и влажное: гой.
в рлзиитии зал/іч типа Стефана и здлпч механики сущее г-
-I
венное значение имеет усовершенствование разностных схем численного моделирования, позволяющее строить эффективные алгоритмы решения для задач определения ТМС массива ММГП.
- существенное влияние на напряженное состояние массива
ММПТ оказывают неупругиё деформации (на фронте фазового пере
хода, . температурные), возникающие при изменении температуры
мнгп. -
- при математическом моделировании взаимодействия полей
температур и Напряжений, целесообразно модульное построение
реализации алгоритмов.
Методика исследовании предусматривает анализ и обобщение литературных источников, использование метода конечных разностей при решении задачи Стефана и осесимметричной задачи о напряженном состоянии массива, программирование и ьычислитель-ные эксперименты на ЭВМ.
Научная новизна.:
вперзые сформулирована плоская осесимметрическая задача механики, описывающая напряженное состояние в окрестности протяженных цилиндрических выработок при существовании неупругих деформаций; .
впервые разработан и реализован численный алгоритм для изучения THQ. массива МмТП вокруг цилиндрической выработки при' гидростатическом распределении напряжений на бесконечности при наличии деформаций ненехалическо.1 природы,-
разработаны разностные схемы для решения осесимметри-ческой* задачи механики, в котором/» в отличие от известных схем учитывается возможность существования разрывов у функций, описывающих механические характеристики и неупругио деформации;
исследовано совместное влияние температурных, вязкопла-стическнх деформаций и деформаций на фронте фазового перехода на напряженное состояние массива МНГП вокруг цилиндрической выработки для разных типов ММГП.
Достоверность и обоснованность научны:; положений, выводов и результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечиваются:
корректностью постановки задач о формировании температурного поля вокруг выработки и напряженно-деформированном состоянии многолстнемерзлого массива;
применением теоретически обоснованных и апробированный
с;
численных методов решения задач механики и теплообмена;
- систематической проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и оценкой погрешности счета программ на тестовых примерах. "
Практическая ценность диссертации. Диссертационная работа является составной частью плановых НИР Института горного дела Севера СО РАН по теме "Моделирование результатов технологических воздействий на массив многолетнемерзлых пород" (N 0187.
0096035).
Научное значение работы заключается в том, что разработанные в ней численные методы позволяют исследовать напряженное состояние массива ММГП с учетом возникающих в нем неупругих деформаций и тем самым могут быть использованы в решении широкого круга прикладных задач.
Реализация работы. Разработанные методы и средства решения задач теплообмена и механики мерзлых горных пород нашли свое внедрение при проектировании и строительстве рудника "Интернациональный" ПНО "Якуталыаз" (фактический экономический эффект 1,2 млн.руб. Доля автора зо*).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на vn конференции научной молодежи "Вопросы геокриологии" (Якутск, 1986), X Всесоюзном семинаре "Исследование горного давления и способов охраны, капитальных и подготовительных выработок" (Кемерово, 1986), научном семинаре "Методы механики сплошной среды в теории фазовых переходов" (Киев, 1990), VI Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1991), научных семинарах лаборатории геомеханики многолетнемерзлых горных пород ИГДС СО АН СССР (Якутск, 1992).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 129 страниц машинописного текста, 24 рисунков, 7 таблиц, списка литературы из 78 наименований и з приложений.
Автор благодарит А.В.Самохина, Е.Е.Петрова, Г.И.Кулакова за участив в обсуждении отдельных этапов работы и помощь при внедрении диссертационных разработок в производство.