Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью
Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления. Методика. Для выполнения исследований применялись методы ме...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Розробка родовищ |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2017
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145688 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью / А. Круковский, В. Круковская, Ю. Виноградов // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-145688 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Круковский, А. Круковская, В. Виноградов, Ю. 2019-01-26T13:31:36Z 2019-01-26T13:31:36Z 2017 Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью / А. Круковский, В. Круковская, Ю. Виноградов // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2415-3435 DOI: https://doi.org/10.15407/mining11.02.021 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145688 622.841 Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления. Методика. Для выполнения исследований применялись методы механики твердого тела, механики жидко- сти и газа, численное моделирование с применением метода конечных элементов. Результаты. Разработана математическая модель фильтрации воды в деформируемом массиве горных пород. Показано, что применение анкерной крепи позволяет предотвратить развитие процесса трещинообразования в зоне влияния выработки. В этом случае в кровле максимально сохраняется монолитность нетронутого массива. Значительное сокращение размеров области фильтрации и снижение проницаемости внутри нее приводит к снижению интенсивности фильтрационного движения жидкости и предупреждению или снижению водопритока в горные выработки с анкерной крепью. Мета. Розробка математичної моделі зв’язаних процесів деформування вуглепородного масиву та фільтрації води в порушеній області для дослідження зміни величини водоприпливу в гірничу виробку в залежності від способу її кріплення. Результати. Розроблено математичну модель фільтрації води в масиві гірських порід, який деформується. Показано, що застосування анкерного кріплення дозволяє запобігти розвитку процесу утворення тріщин у зоні впливу виробки. У цьому випадку в покрівлі максимально зберігається монолітність непорушеного масиву. Значне скорочення розмірів області фільтрації й зниження проникності всередині неї призводить до зниження інтенсивності фільтраційного руху рідини і попередження або зниження водоприпливу в гірничі виробки з анкерним кріпленням. Purpose. To develop a mathematical model of the interrelated processes of coal-rock mass deformation and water filtration in the disturbed area to study the change in the value of water inflow into the mine working de-pending on the method of its supporting. Findings. A mathematical model of water filtration in the deformed rock mass was developed. It is shown that the use of bolting prevents fracturing process in the zone subjected to the influence of the mine working. In this case, solidity of the virgin mass in the roof is maximally preserved. Significant reduction of the filtra-tion area and decrease in its permeability leads to the drop in intensity of the liquid filtration movement and prevents or reduces water inflow into the mine workings with anchor support. Представленная работа выполнена в рамках отраслевой программы “Анкер” широкомасштабного внедрения анкерной крепи на угольных шахтах Украины. Авторы выражают искрению благодарность руководству и инженерно-техническому персоналу шахтоуправлений “Днепровское” и “Першотравенское” ЧАО “ДТЭК Павлоградуголь” за помощь при организации и проведении шахтных экспериментов. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью Математичне моделювання несталої фільтрації води у виробку з анкерним кріпленням Mathematical modeling of unsteady water filtration into anchored mine opening Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| spellingShingle |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью Круковский, А. Круковская, В. Виноградов, Ю. |
| title_short |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| title_full |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| title_fullStr |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| title_full_unstemmed |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| title_sort |
математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью |
| author |
Круковский, А. Круковская, В. Виноградов, Ю. |
| author_facet |
Круковский, А. Круковская, В. Виноградов, Ю. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Розробка родовищ |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Математичне моделювання несталої фільтрації води у виробку з анкерним кріпленням Mathematical modeling of unsteady water filtration into anchored mine opening |
| description |
Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления. Методика. Для выполнения исследований применялись методы механики твердого тела, механики жидко- сти и газа, численное моделирование с применением метода конечных элементов. Результаты. Разработана математическая модель фильтрации воды в деформируемом массиве горных пород. Показано, что применение анкерной крепи позволяет предотвратить развитие процесса трещинообразования в зоне влияния выработки. В этом случае в кровле максимально сохраняется монолитность нетронутого массива. Значительное сокращение размеров области фильтрации и снижение проницаемости внутри нее приводит к снижению интенсивности фильтрационного движения жидкости и предупреждению или снижению водопритока в горные выработки с анкерной крепью.
Мета. Розробка математичної моделі зв’язаних процесів деформування вуглепородного масиву та фільтрації води в порушеній області для дослідження зміни величини водоприпливу в гірничу виробку в залежності від способу її кріплення. Результати. Розроблено математичну модель фільтрації води в масиві гірських порід, який деформується. Показано, що застосування анкерного кріплення дозволяє запобігти розвитку процесу утворення тріщин у зоні впливу виробки. У цьому випадку в покрівлі максимально зберігається монолітність непорушеного масиву. Значне скорочення розмірів області фільтрації й зниження проникності всередині неї призводить до зниження інтенсивності фільтраційного руху рідини і попередження або зниження водоприпливу в гірничі виробки з анкерним кріпленням.
Purpose. To develop a mathematical model of the interrelated processes of coal-rock mass deformation and water filtration in the disturbed area to study the change in the value of water inflow into the mine working de-pending on the method of its supporting. Findings. A mathematical model of water filtration in the deformed rock mass was developed. It is shown that the use of bolting prevents fracturing process in the zone subjected to the influence of the mine working. In this case, solidity of the virgin mass in the roof is maximally preserved. Significant reduction of the filtra-tion area and decrease in its permeability leads to the drop in intensity of the liquid filtration movement and prevents or reduces water inflow into the mine workings with anchor support.
Представленная работа выполнена в рамках отраслевой программы “Анкер” широкомасштабного внедрения анкерной крепи на угольных шахтах Украины. Авторы выражают искрению благодарность руководству и инженерно-техническому персоналу шахтоуправлений “Днепровское” и “Першотравенское” ЧАО “ДТЭК Павлоградуголь” за помощь при организации и проведении шахтных экспериментов.
|
| issn |
2415-3435 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/145688 |
| citation_txt |
Математическое моделирование неустановившейся фильтрации воды в выработку с анкерной крепью / А. Круковский, В. Круковская, Ю. Виноградов // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 21-27. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT krukovskiia matematičeskoemodelirovanieneustanovivšeisâfilʹtraciivodyvvyrabotkusankernoikrepʹû AT krukovskaâv matematičeskoemodelirovanieneustanovivšeisâfilʹtraciivodyvvyrabotkusankernoikrepʹû AT vinogradovû matematičeskoemodelirovanieneustanovivšeisâfilʹtraciivodyvvyrabotkusankernoikrepʹû AT krukovskiia matematičnemodelûvannânestaloífílʹtracíívodiuvirobkuzankernimkríplennâm AT krukovskaâv matematičnemodelûvannânestaloífílʹtracíívodiuvirobkuzankernimkríplennâm AT vinogradovû matematičnemodelûvannânestaloífílʹtracíívodiuvirobkuzankernimkríplennâm AT krukovskiia mathematicalmodelingofunsteadywaterfiltrationintoanchoredmineopening AT krukovskaâv mathematicalmodelingofunsteadywaterfiltrationintoanchoredmineopening AT vinogradovû mathematicalmodelingofunsteadywaterfiltrationintoanchoredmineopening |
| first_indexed |
2025-11-25T22:08:13Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:08:13Z |
| _version_ |
1850560713215442944 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 11 (2017), Issue 2, pp. 21-27
21
UDC 622.841 https://doi.org/10.15407/mining11.02.021
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕУСТАНОВИВШЕЙСЯ
ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ В ВЫРАБОТКУ С АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
А. Круковский1*, В. Круковская2, Ю. Виноградов3
1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепр, Украина
2Отдел управления динамическими проявлениями горного давления, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова
НАН Украины, Днепр, Украина
3Отдел физики сорбционных процессов, Институт физики горных процессов НАН Украины, Днепр, Украина
*Ответственный автор: e-mail igtm@ukr.net, тел. +380508372108
MATHEMATICAL MODELING OF UNSTEADY WATER
FILTRATION INTO ANCHORED MINE OPENING
O. Krukovskyi1*, V. Krukovska2, Yu. Vynohradov3
1Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine
2Department of Dynamic Phenomena Management of Rock Pressure, Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov
of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine
3Department for Physics of Sorption Processes, Institute for Physics of Mining Processes of the National Academy of Sciences of
Ukraine, Dnipro, Ukraine
*Corresponding author: e-mail igtm@ukr.net, tel. +380508372108
ABSTRACT
Purpose. To develop a mathematical model of the interrelated processes of coal-rock mass deformation and water
filtration in the disturbed area to study the change in the value of water inflow into the mine working de-pending on
the method of its supporting.
Methods. In this research, we used methods of rigid body mechanics, fluid and gas mechanics as well as numerical
simulation based on the finite element method.
Findings. A mathematical model of water filtration in the deformed rock mass was developed. It is shown that the
use of bolting prevents fracturing process in the zone subjected to the influence of the mine working. In this case,
solidity of the virgin mass in the roof is maximally preserved. Significant reduction of the filtra-tion area and de-
crease in its permeability leads to the drop in intensity of the liquid filtration movement and prevents or reduces wa-
ter inflow into the mine workings with anchor support.
Originality. Bolting is considered as a technological method of reducing water inflow into mine workings for the
first time. Based on the results obtained, the “Method for Reducing Water Inflow into the Mine Workings with the
Roof Bolting” was developed. Effectiveness of this method was proved in the coal mines of the Western Donbas.
Practical implications. The calculations show that bolting can simultaneously perform two functions: ensuring sta-
bility of the mine working and its waterproofing, which significantly reduces the operating costs.
Keywords: deformation of the coal-rock mass, permeability, water filtration, numerical simulation
1. ВВЕДЕНИЕ
Трудно переоценить значение Западного Донбас-
са для современной Украины в условиях значитель-
ного сокращения количества угольных предприятий.
Для обеспечения энергетической независимости
экономики страны необходима интенсификация уг-
ледобычи. Однако, в строении продуктивной толщи
района имеется большое количество водоносных
горизонтов, которые в той или иной степени угро-
жают безопасности и повышают сложность проведе-
ния горных выработок. Многие осложнения и аварии
в горных выработках связаны с водопроявлениями
при подработке водоносных пород. Поэтому для
Западного Донбасса актуальна задача прогноза водо-
притоков и уменьшения их пагубного влияния на
состояние горных выработок.
Цель данной работы – разработать математиче-
скую модель связанных процессов деформирования
углепородного массива и фильтрации воды в нару-
шенной области для исследования изменения вели-
чины водопритока в горную выработку в зависимо-
сти от способа ее крепления.
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
22
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Фильтрация воды – это движение свободной во-
ды, происходящее под действием сил тяжести или
давления, создаваемого в поровой среде внешними
нагрузками. При этом фильтрация происходит из
областей с более высоким давлением в области более
низкого давления (Alikin, Litvin, Scherbakov, & Boro-
davkin, 1992). Источником давления, которому под-
вержены жидкости в трещинно-поровом простран-
стве, является обжатие горных пород после первона-
чального осадкообразования под действием силы
тяжести (Masket, 2004).
Уравнения неразрывности фильтрационного по-
тока можно представить в виде (Zienkiewicz & Taylor,
2000; Abramov & Shevelev, 1972):
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂=
∂
∂
y
pk
yx
pk
xt
p
yx , (1)
где:
p – давление жидкости, МПа;
kx, ky – коэффициенты проницаемости в направле-
нии осей x и y, мДа;
x, y – горизонтальная и вертикальная координаты
точки области, м.
Начальные и граничные условия:
( )ypp t 00 == , ( )yHgp −= ρ0 ;
11
pp =Ω ; (2)
22
pp =Ω ,
где:
p0 – давление в начальный момент времени в
определенной точке исследуемой области, МПа;
ρ – плотность воды, кг/м3;
H – глубина разработки, м;
Ω1 – область обводненных вмещающих пород;
Ω2 – контур выработки;
p1 – давление воды в обводненном породном слое;
p2 – давление воды на контуре выработки.
Фильтрационная проницаемость среды является
важнейшей характеристикой, определяющей значе-
ние параметров процесса фильтрации. Коэффициент
проницаемости породы характеризует пропускную
способность сухой породы в отношении любой одно-
родной жидкости или газа в условиях вязкого потока;
он зависит исключительно от строения самой породы
(Geological dictionary, 1978). Известно, что проница-
емость горных пород зависит также от напряжено-
деформированного состояния, в котором они нахо-
дятся, поэтому для решения задач о фильтрации воды
в зоне ведения горных работ необходимо выполнить
расчет поля напряжений в исследуемой области.
Изменение во времени напряженно-деформиро-
ванного состояния породного массива в окрестности
горной выработки описывается системой уравнений
(Ivanov, Volchkov, Bogulskiy, Anisimov, & Kurguzov,
2002; Krukovskyi, 2012):
( ) ( )tiPtiXjijiu
tgc ++=
∂
∂
,σ , (3)
где:
ui – перемещения, м;
cg – коэффициент демпфирования, кг/с/м3;
σij,j – производные от компонент тензора напря-
жений по x, y, МПа/м;
Xi(t) – проекции внешних сил, действующих на
единицу объема твердого тела, Н/м3;
Pi(t) – проекции сил, обусловленных давлением
флюидов в трещинно-поровом пространстве, Н/м3.
Начальные и граничные условия:
;
;
0
0
H
H
txx
tyy
λγσ
γσ
=
=
=
=
,0
;0
4
3
=
=
Ω
Ω
y
x
u
u
(4)
где:
γ – усредненный вес вышележащих пород, Н/м3;
λ – коэффициент бокового распора;
Ω3 – вертикальные границы внешнего контура;
Ω4 – горизонтальные границы внешнего контура.
Задача решается в упругопластической постанов-
ке. Для математического описания процесса перехода
горных пород в нарушенное состояние применяется
условие прочности Кулона-Мора, которое учитывает
возможность возникновения разрушения в результате
как сдвига, так и отрыва.
Для анализа напряженно-деформированного со-
стояния породного массива в работе используются
геомеханические параметры: ( )
H
Q
γ
σσ 31* −
= , харак-
теризующий разнокомпонентность поля напряжений,
и
H
P
γ
σ 3* = , характеризующий разгрузку массива от
горного давления.
Для расчета проницаемости в горном массиве во-
круг выработки с учетом его напряженного состоя-
ния будем считать, что (Krukovska, Krukovskyi, &
Vinogradov, 2015):
– в нетронутом горном массиве k = 0 при Q* < 0.6;
– в зоне упругих деформаций и равнокомпонент-
ного сжатия (при Q* < 0.7; P* > 0.25) k = 0;
– в области начального трещинообразования
отдельные трещины не связаны друг с другом, при
0.7 < Q* < 0.8 k = kmin;
– в области интенсивного трещинообразования
имеет место неуправляемый рост трещин, на данной
стадии быстро увеличиваются деформации за счет
распространения трещин и разрыхления (Vinogradov,
1989). В области интенсивного трещинообразования
происходит рост коэффициента проницаемости на
2 – 3 порядка в различных породах и материалах. В
этой зоне при Q* > 0.8 k = e0.26Q* – 4.65;
– в области разрушения горных пород происходит
резкое увеличение проницаемости k = kmax, при
P* < 0.1; Q* > 0.8.
Связанная задача фильтрации воды в деформиру-
емом массиве (1), (3) с начальными и граничными
условиями (2), (4) решается с использованием метода
конечных элементов (Alikin, Litvin, Scherbakov, &
Borodavkin, 1992; Zienkiewicz & Taylor, 2000). В ре-
зультате решения получим значения напряжений и
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
23
деформаций, зоны неупругих деформаций, значения
давления воды, скоростей ее фильтрации и расходов
в каждой точке исследуемой области.
Для примера рассмотрим проведение капитальной
выработки с сечением КШПУ-14.4 на глубине 400 м
с рамной и анкерной крепью. Характеристики углей
и вмещающих пород приведены в Таблице 1. Давле-
ние воды в угольном пропластке – 3.5 МПа. Страти-
графическая колонка, конечно-элементная сетка и
схема анкерного крепления показаны на Рисунке 1.
Таблица 1. Характеристика углей и вмещающих пород
Описание пород Удельный
вес, т/м3
Предел прочности, МПа Удельная
трещиноватость,
тр/пм
в естественном
состоянии
при влагона-
сыщении
Песчаник 2.60 26.5 11.7 8 – 10
Аргиллит 2.30 23.6 2.4 6 – 8
Уголь обводненный 1.26 32.4 27.4 15 – 20
Рисунок 1. Центральный фрагмент конечно-элементной
сетки
С использованием приведенных выше соотноше-
ний получены распределения значений коэффициен-
тов проницаемости породного массива вокруг выра-
боток с рамной (Рис. 2) и анкерной крепью (Рис. 3),
на различных временных итерациях i. На рисунках
показаны также направления движения фильтраци-
онных потоков.
Можно видеть, что со временем размеры области
фильтрации вокруг выработки увеличиваются. Это
обусловлено развитием зоны повышенной трещино-
ватости, расслоением и разрушением вмещающих
пород. Вокруг выработки образуется водопроницае-
мая область.
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 2. Распределение значений коэффициентов проницаемости породного массива и направления движения
фильтрационных потоков, выработка с рамной крепью: (а) i = 1; (б) i = 5; (в) i = 15; (г) i = 30
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
24
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 3. Распределение значений коэффициентов проницаемости породного массива и направления движения
фильтрационных потоков, выработка с анкерной крепью: (а) i = 1; (б) i = 5; (в) i = 15; (г) i = 30
С течением времени эта область захватывает во-
доносный угольный пропласток (Рис. 2б – г), вода из
которого начинает перемещаться внутрь выработки.
Так как водоносный слой расположен близко к выра-
ботке, это происходит довольно быстро. На Рисун-
ке 2б обводненный угольный пропласток расположен
на самом краю области фильтрации, в зоне начала
трещинообразования. На Рисунке 2в, г – в зоне ин-
тенсивной трещиноватости. При i = 30 (Рис. 2г), дли-
на области пересечения обводненного пропластка и
повышенной проницаемости (темно-серый цвет)
равна ширине выработки.
На Рисунке 3 видно, как изменяются контуры об-
ласти фильтрации, если в кровле и боках выработки
установлены анкера. Область пересечения обвод-
ненного пропластка и повышенной проницаемости
(темно-серый цвет) очень мала даже при i = 30. Про-
ницаемая зона в кровле выработки не превышает
0.3 – 0.5 м вглубь массива. Если бы обводненный
угольный пропласток был расположен немного вы-
ше – он вышел бы за пределы области фильтрации,
что позволило бы полностью предотвратить водо-
приток в выработку.
Анкерная крепь существенно изменяет напряжен-
но-деформированное состояние вмещающих пород.
Применение анкерного крепления сдерживает разви-
тие процесса трещинообразования в зоне влияния
выработки. В этом случае в кровле образуется по-
родно-анкерное перекрытие, в котором максимально
сохранена монолитность нетронутого массива
(Рис. 3). Размеры области фильтрации значительно
сокращаются, проницаемость внутри нее снижается,
что приводит к уменьшению интенсивности филь-
трационного движения жидкости в нарушенных по-
родах и предупреждению или снижению водоприто-
ка в горные выработки с анкерной крепью.
Сравнивая направления движения фильтрацион-
ных потоков на Рисунках 2 и 3, видим, что интенсив-
ная фильтрация воды в выработку с рамной крепью
происходит уже на 5-й временной итерации (Рис. 2б),
а в выработку с анкерной крепью – только на 30-й
итерации (Рис. 3г).
На Рисунках 4 и 5 показано распределение значе-
ний давления воды, р, МПа, в исследуемой области,
вокруг выработок соответственно с рамной и анкер-
ной крепью, на различных временных итерациях.
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
25
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 4. Распределение значений давления воды и направления движения фильтрационных потоков, выработка с
рамной крепью: (а) i = 1; (б) i = 5; (в) i = 15; (г) i = 30
(а) (б)
(в) (г)
Рисунок 5. Распределение значений давления воды и направления движения фильтрационных потоков, выработка с
анкерной крепью: (а) i = 1; (б) i = 5; (в) i = 15; (г) i = 30
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
26
Давление воды в подрабатываемом обводненном
пропластке начинает падать, когда область фильтра-
ции достигает его нижней границы (Рис. 4б – г). Это
говорит о том, что начался процесс фильтрации –
вода перемещается из областей с более высоким
давлением в область, где давление минимально – в
выработку. В кровле выработки с рамной крепью
активно происходит процесс фильтрации воды.
В результате сокращения области фильтрации и
существенного снижения значений коэффициентов
проницаемости приконтурных пород при использо-
вании анкерной крепи давление воды в подрабатыва-
емом пропластке практически не изменяется с тече-
нием времени (Рис. 5а – г). Процесс фильтрации
носит слабо выраженный характер, водоприток в
выработку будет незначительным.
Рассмотрим, как изменяются скорости фильтра-
ции при различных способах крепления выработки.
Для этого из массива расчетных данных выберем
значения модулей скорости фильтрации в кровле
выработки вдоль вертикальной прямой, проходя-
щей через ее центр. Результаты расчетов приведе-
ны на Рисунке 6. Видно, что при анкерном крепле-
нии максимальные значения скорости фильтрации
воды в кровле выработки снижаются на 30%; глу-
бина области фильтрации, которая в выработке с
рамной крепью достигала 1.5 м, уменьшается до
1.0 м, также на 30%.
(а) (б)
Рисунок 6. Изменение скорости фильтрации воды во времени: (а) рамная крепь; (б) анкерное крепление
3. ВЫВОДЫ
Разработана математическая модель фильтрации
воды в деформируемом массиве горных пород, кото-
рая отражена в “Способе исследования состояния
обводненного горного массива в окрестности горной
выработки” (патент UA 114572).
В результате решения задачи о подработке водо-
носного угольного пропластка получены значения
напряжений и деформаций, зоны неупругих дефор-
маций, значения коэффициентов проницаемости,
давления воды, скоростей ее фильтрации и расходов
в каждой точке исследуемой области.
Показано, что применение анкерной крепи позво-
ляет предотвратить развитие процесса трещинообра-
зования в зоне влияния выработки. В этом случае в
кровле максимально сохраняется монолитность не-
тронутого массива. Значительное сокращение разме-
ров области фильтрации и снижение проницаемости
внутри нее приводит к снижению интенсивности
фильтрационного движения жидкости и предупре-
ждению или снижению водопритока в горные выра-
ботки с анкерной крепью.
На основании полученных результатов разрабо-
тан “Способ снижения водопритока в горную выра-
ботку с применением анкерного крепления” (патент
UA 111059). Действенность данного способа была
доказана на угольных шахтах Западного Донбасса.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Представленная работа выполнена в рамках отрас-
левой программы “Анкер” широкомасштабного внед-
рения анкерной крепи на угольных шахтах Украины.
Авторы выражают искрению благодарность руковод-
ству и инженерно-техническому персоналу шахто-
управлений “Днепровское” и “Першотравенское”
ЧАО “ДТЭК Павлоградуголь” за помощь при органи-
зации и проведении шахтных экспериментов.
REFERENCES
Abramov, F.A., & Shevelev, G.A. (1972). Mine Aerogasdy-
namics. Moskva: Nedra.
Alikin, V.N., Litvin, I.E., Scherbakov, S.M., & Borodavkin, V.P.
(1992). The Finite Element Method in the Problems of Gas-
Petroleum Field Mechanics. Moskva: Nedra.
Geological dictionary. (1978). Moskva: Nedra.
Ivanov, G.V., Volchkov, Yu.M., Bogulskiy, I.O., Anisi-
mov, S.A., & Kurguzov, V.D. (2002). Numerical Solution
of Dynamical Problems of Elastoplastic Deformation of
Solids. Novosibirsk: Siberian University Publishing House.
Krukovska, V.V., Krukovskyi, O.P., & Vinogradov, Yu.O.
(2015). Study Water Inflow in Mines with Anchors.
Heotekhnichna Mekhanika, (120), 182-193.
Krukovskyi, O.P. (2012). Modeling of the Technological Cycle
of Installation of Roof Bolting during the Change of Speed of
Excavation of Mine Working. System Technology, (3), 67-73.
Masket, M. (2004). Flow of Homogeneous Fluids in a Porous
Medium. Moskva-Izhevsk: IKI.
O. Krukovskyi, V. Krukovska, Yu. Vynohradov. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 21-27
27
Vinogradov, V.V. (1989). Geomechanics of the Massif State
Control near the Mine Workings. Kyiv: Naukova dumka.
Zienkiewicz, O.C., & Taylor, R.L. (2000). The Finite Element
Method. United Kingdom: Butterworth-Heinemann.
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и
фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выра-
ботку в зависимости от способа ее крепления.
Методика. Для выполнения исследований применялись методы механики твердого тела, механики жидко-
сти и газа, численное моделирование с применением метода конечных элементов.
Результаты. Разработана математическая модель фильтрации воды в деформируемом массиве горных по-
род. Показано, что применение анкерной крепи позволяет предотвратить развитие процесса трещинообразова-
ния в зоне влияния выработки. В этом случае в кровле максимально сохраняется монолитность нетронутого
массива. Значительное сокращение размеров области фильтрации и снижение проницаемости внутри нее при-
водит к снижению интенсивности фильтрационного движения жидкости и предупреждению или снижению
водопритока в горные выработки с анкерной крепью.
Научная новизна. Впервые анкерная крепь рассмотрена как технологический способ снижения водоприто-
ка в горную выработку. На основании полученных результатов разработан “Способ снижения водопритока в
горную выработку с применением анкерного крепления”. Действенность данного способа была доказана на
угольных шахтах Западного Донбасса.
Практическая значимость. Приведенными расчетами показано, что анкерная крепь может одновременно
выполнять две функции: обеспечения устойчивости выработки и ее гидроизоляции, что существенно снижает
расходы на поддержание выработки.
Ключевые слова: деформирование углепородного массива, проницаемость, фильтрация воды, численное
моделирование
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Розробка математичної моделі зв’язаних процесів деформування вуглепородного масиву та фільтрації
води в порушеній області для дослідження зміни величини водоприпливу в гірничу виробку в залежності від
способу її кріплення.
Методика. Для виконання досліджень застосовувалися методи механіки твердого тіла, механіки рідини і га-
зу, чисельне моделювання із застосуванням методу скінченних елементів.
Результати. Розроблено математичну модель фільтрації води в масиві гірських порід, який деформується.
Показано, що застосування анкерного кріплення дозволяє запобігти розвитку процесу утворення тріщин у зоні
впливу виробки. У цьому випадку в покрівлі максимально зберігається монолітність непорушеного масиву.
Значне скорочення розмірів області фільтрації й зниження проникності всередині неї призводить до зниження
інтенсивності фільтраційного руху рідини і попередження або зниження водоприпливу в гірничі виробки з
анкерним кріпленням.
Наукова новизна. Вперше анкерне кріплення розглянуте як технологічний спосіб зниження водоприпливу
в гірничу виробку. На підставі отриманих результатів розроблено “Спосіб зниження водоприпливу в гірничу
виробку із застосуванням анкерного кріплення”. Дієвість даного способу було доведено на вугільних шахтах
Західного Донбасу.
Практична значимість. Наведеними розрахунками показано, що анкерне кріплення може одночасно вико-
нувати дві функції: забезпечення стійкості виробки та її гідроізоляції, що істотно знижує витрати на підтриман-
ня виробки.
Ключові слова: деформування вуглепородного масиву, проникність, фільтрація води, чисельне моделювання
ARTICLE INFO
Received: 18 February 2017
Accepted: 5 May 2017
Available online: 30 June 2017
ABOUT AUTHORS
Oleksandr Krukovskyi, Doctor of Technical Sciences, Deputy Director of the Institute, Institute of Geotechnical
Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St,
49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: igtm@ukr.net
Viktoriia Krukovska, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher of the Department of Dynamic Phenomena
Management of Rock Pressure, Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National
Academy of Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: igtm@ukr.net
Yurii Vynohradov, Junior Researcher of the Department for Physics of Sorption Processes, Institute for Physics of
Mining Processes of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Simferopolska St, 49005, Dnipro, Ukraine.
E-mail: my_pochta_1@mail.ua
|