Введение к работе
Актуальность работы. В последнее десятилетие на угольных шахтах России преобладают системы разработки угольных пластов длинными очистными забоями с применением интенсивных технологий, что приводит в условиях опасного производства к высокому уровню аварийности и травматизма. Одним из перспективных направлений развития технологии интенсивной и безопасной работы угольных шахт является создание способов дистанционного ведения горных работ с применением роботизированных технических средств.
Наиболее приспособленными к применению роботизированной технологии выемки угольных пластов являются системы разработки с короткими забоями, в которых обеспечивается устойчивость пород кровли при оптимальной форме камер, высокой скорости их проведения и высокоэффективной отработке пласта. Снижение интенсивности горного давления и деформации камер приводит к сокращению производственных затрат на поддержание выработок.
Для создания роботизированных систем выемки угля необходимо разработать методы и средства прогнозирования параметров напряженно- деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Поэтому математическое моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве в зоне влияния горных выработок с численной реализацией в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования параметров систем разработки с короткими забоями является актуальной научной задачей.
Диссертация выполнена при поддержке Министерства образования РФ по Государственному заданию на выполнение НИР «Разработать и внедрить систему мониторинга и научного сопровождения геомеханических и газодинамических процессов при разработке угольных месторождений в сейсмически активных районах» (№ 5.3832.2011, 2012г.); в рамках Государственного контракта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка механизма рационального управления взаимодействующими геомеханическими и газодинамическими процессами в геосреде с пространственно-временной иерархией системы породных блоков, линеаментов и горных выработок» (2010-2012 гг., № 16.740.11.0186).
Целью работы является разработка математической модели массива горных пород для обоснования параметров короткозабойной технологии угледобычи по результатам численного моделирования геомеханических процессов в окрестности системы взаимовлияющих выработок камерного типа.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Создать геомеханическую модель углепородного массива с учетом анизотропии прочностных и деформационных свойств горных пород при подземной отработке угольных пластов.
-
Выполнить математическое моделирование геомеханических процессов в изотропной, трансверсально-изотропной и ортотропной моделях массива горных пород для определения параметров НДС углепородного массива в зоне влияния системы горных выработок.
-
Разработать метод глобальной нумерации узлов конечно-элементной трехмерной модели массива горных пород для минимизации ширины полосы матрицы коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений.
-
Создать комплекс проблемно-ориентированных программ с использованием специализированных сред разработки для численного моделирования геомеханических процессов в углепородном массиве в окрестности горных выработок.
-
Провести вычислительные эксперименты с использованием разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования параметров систем разработки короткими забоями.
Методы исследования: механики сплошной среды, теории упругости, математического и численного моделирования, объектно-ориентированного программирования, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы:
-
-
Трехмерная геомеханическая модель массива горных пород, отличающаяся учетом интегрального влияния природной слоистости и трещиноватости (кливажа) пород, пространственного положения системы горных выработок на НДС углепородного массива, его прочностные, реологические и деформационные свойства.
-
Обобщенный вариант матрицы упругости, адаптированный к структуре углепородного массива и анизотропии свойств горных пород посредством определения коэффициентов, устанавливающих зависимости между упругими характеристиками с учетом ползучести для трансверсально-изотропных и орто- тропных породных массивов.
-
Метод глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели углепородного массива, отличающийся выбором направления обхода и порядка нумерации узлов в зависимости от увеличения их количества по координатным осям, обеспечивающий минимизацию ширины полосы матрицы жесткости при соотношении числа узлов 1:2:3 в 2-3 раза.
-
Комплекс проблемно-ориентированных программ «MGP program complex», отличающийся интеграцией сред разработки приложений MS Developer Studio и Delphi для создания пользовательского интерфейса, MS Fortran Power Station с целью увеличения скорости обработки данных при численном решении методом конечных элементов геомеханических задач.
-
Критерий устойчивости системы «междукамерные целики - подработанные породы кровли», как отношение суммарной площади разрушения целиков к площади выработанного пространства, отличающийся возможностью определения по размерам целиков площади зоны их вероятного разрушения, что позволяет прогнозировать массовую потерю устойчивости угольных целиков (явление коллапса).
Практическая значимость работы. Результаты диссертации могут быть использованы при:
- разработке вариантов геомеханических моделей углепородного массива с учетом горно-геологических и горнотехнических условий отрабатываемых месторождений;
-
математическом моделировании геомеханических процессов в углепо- родном массиве с учетом анизотропии и ползучести горных пород;
-
глобальной нумерации узлов конечно-элементной трехмерной модели углепородного массива, позволяющей уменьшить время вычислений и объем используемой оперативной памяти компьютера;
-
интеграции специализированных сред разработки для создания проблемно-ориентированных комплексов программ;
-
проведении трехмерных вычислительных экспериментов с использованием разработанного комплекса программ.
Предмет защиты:
-
трехмерная геомеханическая модель углепородного массива, учитывающая анизотропию и реологию горных пород;
-
обобщенный вариант матрицы упругости при численном расчете параметров НДС трансверсально-изотропных и ортотропных массивов горных пород;
-
метод глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели, минимизирующий ширину полосы матрицы жесткости;
-
комплекс проблемно-ориентированных программ «MGP program complex» для численного решения объемных задач геомеханики;
-
критерий устойчивости системы «междукамерные целики - подработанные породы кровли» для выбора предельной ширины устойчивых междукамерных целиков и выемочных столбов.
Личный вклад автора заключается в создании трехмерной геомеханической модели углепородного массива; определении коэффициентов, устанавливающих зависимости между упругими постоянными в обобщенной матрице упругости; разработке метода глобальной нумерации узлов трехмерной конечно-элементной модели и комплекса проблемно-ориентированных программ; проведении трехмерных вычислительных экспериментов и определении геомеханических параметров короткозабойных систем разработки угольных пластов.
Реализация результатов. Результаты работы рекомендованы к использованию при отработке короткими очистными забоями гидроучастка пласта 6 на ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс» и пологих угольных пластах ЗАО «Шахта Распадская-Коксовая» УК ОАО «Распадская» (справка ООО «Проектгидроуголь» от 18.04.2013г., г. Новокузнецк), в учебном процессе СибГИУ при преподавании дисциплин «Компьютерное моделирование пластовых месторождений», «Моделирование гео- и газодинамических процессов», «Научный семинар по горному делу».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2007-2008 гг.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и молодёжь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2009г.), Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2010г.), «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках выставки-ярмарки «Уголь России и Майнинг» (Новокузнецк, 2008-2012 гг.), научном семинаре СибГИУ.
Публикации. Материалы по теме публикации опубликованы в 14 печатных работах, из которых 13 статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 свидетельство о регистрации разработки.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка использованных источников из 114 наименований, и содержит 166 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 24 таблицы, 2 приложения.
Похожие диссертации на Разработка комплекса программ и численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве
-
