Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм

Мета досліджень полягала в уточненні геомеханіки зрушень навколо підготовчої виробки, руйнувань оточуючого масиву й динаміки навантаження на рамне кріплення при переході геологічного порушення. При цьому використовувався метод комп’ютерного моделювання у тривимірній постановці (платформа FLAC3D) й в...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2023
Main Authors:	Захарова, Л.М., Назимко, В.В., Мерзлікін, А.В.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2023
Series:	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
Subjects:	Прогнозування і управління станом гірничого масиву
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/196470
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм / Л.М. Захарова, В.В. Назимко, А.В. Мерзлікін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 42-55. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-196470
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1964702025-02-23T17:22:20Z Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм Research of geomechanical processes accompanying the transition of a geological fault to a preparatory roadway face Захарова, Л.М. Назимко, В.В. Мерзлікін, А.В. Прогнозування і управління станом гірничого масиву Мета досліджень полягала в уточненні геомеханіки зрушень навколо підготовчої виробки, руйнувань оточуючого масиву й динаміки навантаження на рамне кріплення при переході геологічного порушення. При цьому використовувався метод комп’ютерного моделювання у тривимірній постановці (платформа FLAC3D) й враховувався час протікання необоротних процесів зрушення масиву гірських порід та позамежне їх деформування. Результати дослідження. Вирішена задача дослідження перерозподілу напружень навколо підготовчої виробки й навантаження на її рамне кріплення під час переходу геологічного порушення. Задача вирішена у тривимірній постановці з урахуванням спільного опору рамного кріплення і деформування перерізу підготовчої виробки. Наукова новизна. Вперше доведено, що напруження навколо перерізу виробки у зоні геологічного порушення зменшуються, а необоротні зрушення, розміри зруйнованих порід й навантаження на рамне кріплення збільшуються у зоні порушення. Отримані кількісні оцінки вказаних відмінностей. Практична значимість результатів. Особливості геомеханіки переходу геологічного порушення дозволяють уточнити вимоги до параметрів кріплення підготовчих у зоні геологічного порушення. Ключові слова: деформації, напруження, перехід геологічного порушення, прохідницький вибій The purpose of the research was to clarify the geomechanics of displacements around the preparatory work, the destruction of the surrounding mass, and the dynamics of the load on the frame mount during the transition of a geological fault. At the same time, the method of computer modeling in a three-dimensional setting (FLAC3D platform) was used, taking into account the time of the irreversible processes of shifting of the rocks mass and their external deformation. Findings. Further development of the solution to the problem of the transition of a geological fault was achieved, taking into account the best achievements and achievements of domestic and foreign researchers. At the same time, the frame fastening was modeled in the form of clear frames, which were installed 1 m apart. In addition, the task was done in the mode of large deformations, when the positions of the nodes of the calculated finite-difference scheme were adjusted taking into account the obtained displacements and deformations of the rock mass. This approach significantly increases the reliability of modeling results when the transition of rocks through the strength limit is taken into account. Even more important is the direct consideration of the time of geomechanical processes, when the dynamic effects that arise in the process of displacements and especially the destruction of the host rocks are automatically modeled, and the time, and therefore the speed of advance of the preparatory works, is taken into account. Originality. For the first time, it has been proven that the stresses around the cross-section of the mine in the zone of geological fault decrease, and the irreversible displacements, the size of the destroyed rocks and the load on the frame mount in the zone of geological fault increase several times in comparison with the areas where the mine has passed through an intact mass. In an intact rock mass, the failure zone develops relatively uniformly both on the sides of the working, and in the roof and sole with some preference in the sole of the working. In the area of geological fault, the priority growth of the size of the destruction zone is noted in the side walls of the working under the conditions when the rate of penetration of the working remains constant. In the case of a forced stoppage of drilling at the very beginning of entering a geological fault, the destruction may not develop in the side walls only, but also in the roof and sole. Practical implications. At the transition area of a geological fault with an amplitude of more than 5 m and the orientation of the work normal to the line of extension of the rupture, the approach of the work to the fault from the lying side, with an angle of its fall close to 45 degrees, it is advisable to apply a multi-link frame fastening with a flexibility node in the crypt part frames At the same time, it is necessary to use a combined frame-anchor fastening with long rope anchors, and their effectiveness will be significantly increased if their previous tension is applied. Keywords: deformations, stresses, transition of a geological fault, roadway face 2023 Article Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм / Л.М. Захарова, В.В. Назимко, А.В. Мерзлікін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 42-55. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 2664-1771 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.004 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/196470 622.8: 614.8 uk Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва application/pdf Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Прогнозування і управління станом гірничого масиву Прогнозування і управління станом гірничого масиву
spellingShingle	Прогнозування і управління станом гірничого масиву Прогнозування і управління станом гірничого масиву Захарова, Л.М. Назимко, В.В. Мерзлікін, А.В. Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
description	Мета досліджень полягала в уточненні геомеханіки зрушень навколо підготовчої виробки, руйнувань оточуючого масиву й динаміки навантаження на рамне кріплення при переході геологічного порушення. При цьому використовувався метод комп’ютерного моделювання у тривимірній постановці (платформа FLAC3D) й враховувався час протікання необоротних процесів зрушення масиву гірських порід та позамежне їх деформування. Результати дослідження. Вирішена задача дослідження перерозподілу напружень навколо підготовчої виробки й навантаження на її рамне кріплення під час переходу геологічного порушення. Задача вирішена у тривимірній постановці з урахуванням спільного опору рамного кріплення і деформування перерізу підготовчої виробки. Наукова новизна. Вперше доведено, що напруження навколо перерізу виробки у зоні геологічного порушення зменшуються, а необоротні зрушення, розміри зруйнованих порід й навантаження на рамне кріплення збільшуються у зоні порушення. Отримані кількісні оцінки вказаних відмінностей. Практична значимість результатів. Особливості геомеханіки переходу геологічного порушення дозволяють уточнити вимоги до параметрів кріплення підготовчих у зоні геологічного порушення. Ключові слова: деформації, напруження, перехід геологічного порушення, прохідницький вибій
format	Article
author	Захарова, Л.М. Назимко, В.В. Мерзлікін, А.В.
author_facet	Захарова, Л.М. Назимко, В.В. Мерзлікін, А.В.
author_sort	Захарова, Л.М.
title	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
title_short	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
title_full	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
title_fullStr	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
title_full_unstemmed	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
title_sort	дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Прогнозування і управління станом гірничого масиву
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/196470
citation_txt	Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм / Л.М. Захарова, В.В. Назимко, А.В. Мерзлікін // Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва: Зб. наук. пр. — 2023. — Вип. 25. — С. 42-55. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
series	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва
work_keys_str_mv	AT zaharovalm doslídžennâgeomehaníčnihprocesívŝosuprovodžuûtʹperehídgeologíčnogoporušennâpídgotovčimviboêm AT nazimkovv doslídžennâgeomehaníčnihprocesívŝosuprovodžuûtʹperehídgeologíčnogoporušennâpídgotovčimviboêm AT merzlíkínav doslídžennâgeomehaníčnihprocesívŝosuprovodžuûtʹperehídgeologíčnogoporušennâpídgotovčimviboêm AT zaharovalm researchofgeomechanicalprocessesaccompanyingthetransitionofageologicalfaulttoapreparatoryroadwayface AT nazimkovv researchofgeomechanicalprocessesaccompanyingthetransitionofageologicalfaulttoapreparatoryroadwayface AT merzlíkínav researchofgeomechanicalprocessesaccompanyingthetransitionofageologicalfaulttoapreparatoryroadwayface
first_indexed	2025-11-24T03:07:16Z
last_indexed	2025-11-24T03:07:16Z
_version_	1849639447893639168
fulltext	Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 42 Розділ 2. Прогнозування і управління станом гірничого масиву УДК 622.8: 614.8 https://doi.org/10.37101/ftpgv25.01.004 ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕОМЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСІВ, ЩО СУПРОВОДЖУЮТЬ ПЕРЕХІД ГЕОЛОГІЧНОГО ПОРУШЕННЯ ПІДГОТОВЧИМ ВИБОЄМ Л.М. Захарова1, В.В. Назимко1, А.В. Мерзлікін2* 1Відділення фізики гірничих процесів Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпро, Україна 2ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Луцьк, Україна Відповідальний автор: e-mail: artem.merzlikin@donntu.edu.ua RESEARCH OF GEOMECHANICAL PROCESSES ACCOMPANYING THE TRANSITION OF A GEOLOGICAL FAULT TO A PREPARATORY ROADWAY FACE L.M. Zakharova1, V.V. Nazymko1, A.V. Merzlikin2 1Branch for Physics of Mining Processes of the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine 2Donetsk National Technical University, Lutsk, Ukraine *Corresponding author: e-mail: artem.merzlikin@donntu.edu.ua ABSTRACT The purpose of the research was to clarify the geomechanics of displacements around the preparatory work, the destruction of the surrounding mass, and the dy- namics of the load on the frame mount during the transition of a geological fault. At the same time, the method of computer modeling in a three-dimensional setting (FLAC3D platform) was used, taking into account the time of the irreversible processes of shifting of the rocks mass and their external deformation. Findings. Further development of the solution to the problem of the transition of a geological fault was achieved, taking into account the best achievements and achievements of domestic and foreign researchers. At the same time, the frame fastening was modeled in the form of clear frames, which were installed 1 m apart. In addition, the task was done in the mode of large deformations, when the positions of the nodes of the calculated finite-difference scheme were adjusted taking into account the obtained displacements and deformations of the rock mass. This approach significantly increases the reliability of modeling results when the transition of rocks through the strength limit is taken into account. Even more im- portant is the direct consideration of the time of geomechanical processes, when the dynamic effects that arise in the process of displacements and especially the Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 43 destruction of the host rocks are automatically modeled, and the time, and there- fore the speed of advance of the preparatory works, is taken into account. Originality. For the first time, it has been proven that the stresses around the cross-section of the mine in the zone of geological fault decrease, and the irre- versible displacements, the size of the destroyed rocks and the load on the frame mount in the zone of geological fault increase several times in comparison with the areas where the mine has passed through an intact mass. In an intact rock mass, the failure zone develops relatively uniformly both on the sides of the working, and in the roof and sole with some preference in the sole of the working. In the area of geological fault, the priority growth of the size of the destruction zone is noted in the side walls of the working under the conditions when the rate of penetration of the working remains constant. In the case of a forced stoppage of drilling at the very beginning of entering a geological fault, the destruction may not develop in the side walls only, but also in the roof and sole. Practical implications. At the transition area of a geological fault with an ampli- tude of more than 5 m and the orientation of the work normal to the line of exten- sion of the rupture, the approach of the work to the fault from the lying side, with an angle of its fall close to 45 degrees, it is advisable to apply a multi-link frame fastening with a flexibility node in the crypt part frames At the same time, it is necessary to use a combined frame-anchor fastening with long rope anchors, and their effectiveness will be significantly increased if their previous tension is ap- plied. Keywords: deformations, stresses, transition of a geological fault, roadway face 1. ВСТУП Геологічні порушення притаманні українським родовищам кам’яного ву- гілля, руд та інших корисних копалин. Середня щільність малоамплітудних порушень вугільних родовищ Західного Донбасу становить 2-3 розриви на гектар, а крупноамплітудні диз’юнктиви зустрічаються практично на всіх вугільних шахтах, розділяючи виїмкові поля на окремі блоки. У процесі роз- робки таких родовищ виникає потреба переходу вказаних порушень підго- товчими виробками, що супроводжується погіршенням стійкості виробок, негативними проявами гірського тиску і створює серйозні проблеми з до- триманням безпеки прохідницьких робіт, а також забезпеченням стійкості виробок у зоні впливу порушень. Перехід порушень підготовчими виробками є загальносвітовою пробле- мою, з якою регулярно стикаються експлуатаційники вугільних шахт Китаю, США, Австралії, й інших держав з розвинутою видобувною та рудними промисловостями. Наприклад, компанія Stillwater Mining, яка є єдиним аме- риканським виробником платинової групи руд і найбільшим видобувним рудником, який можна зустріти за межами Південної Африки й росії, зітк- нулась з проблемою переходу паралельними підготовчими виробками маси- вного геологічного порушення у вигляді інтрузивної дайки. Довжина підго- товчих виробок становила 8125 м, причому основним видом кріплення були сталеполімерні анкери. Проте у зоні порушення виникали обвалення покрів- лі, пустоти від яких доводилось заповнювати поліуретановими смолами і Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 44 застосовувати додаткове кріплення у вигляді випереджаючих довгих анкерів та сталевих аркових рам [1]. Китайські спеціалісти вважають, що у зоні впливу геологічних порушень доцільно застосовувати анкери з підвищеною міцністю на зріз, оскільки са- ме у таких зонах виникають несиметричні навантаження покрівлі підготов- чих виробок [2]. Експериментальні шахтні дослідження [3] показали, що у зонах геологіч- них порушень відмічаються підвищені горизонтальні напруження, що при- водять до обвалів покрівлі, та здимання підошви підготовчих виробок у ви- гляді випуклих складок. Щоб забезпечити відносну стійкість слабких умі- щуючих порід, застосували комбінацію сталевополімерних анкерів, сітчасту затяжку, рамне аркове кріплення, міжрамні стяжки, набризк-бетонування, а також на особливо проблемних ділянках – тросові довгі анкери. Навіть за таких умов конвергенція бокових стінок виробки на глибині розташування у 850 м досягла 208 мм, а конвергенція покрівлі і підошви 448 мм протягом перших 175 діб інструментальних спостережень. Незважаючи на оптимізм публікації, темпи зрушень на контурі виробки залишись суттєвими, і тому треба зробити висновок про негативну перспективу у вирішенні проблеми забезпечення довготривалої стійкості підготовчої виробки. Автори публікації [4] також застосували канатні анкери під час переходу підготовчою виробкою геологічного порушення для стабілізації негативних процесів необоротних зрушень уміщуючих порід під впливом гірничих ро- біт у зоні порушення. Варто підкреслити, що стійкість виробки визначається не тільки у процесі її взаємодії з геологічним порушенням, але й поведінкою самого порушення, яка може суттєво залежати від зовнішніх факторів, наприклад, під час нагні- тання вуглекислого газу [5]. Проблема забезпечення стійкості підготовчих виробок у зоні впливу гео- логічних порушень погіршується ще й додатковим виділенням вибухонебез- печного метану [6]. Автори встановили за допомогою COMSOL Multiphysics numerical software, що механічні напруження масиву гірських порід і газово- го тиску підсумовуються у зоні переходу геологічного порушення і за умов, коли сумарна енергія комбінованого (тобто механічного й газового) тиску перевищує поверхневу енергію уміщуючих порід, відбувається раптовий ви- кид вугілля й газу. Перехід геологічного порушення підготовчими виробками моделювався багатьма дослідниками. Проводились дослідження [7] за допомогою пакету FLAС3D закономірностей руйнування порід навколо підготовчої виробки під час перетину похилого вугільного пласта, який мав меншу міцність за міцність уміщуючих порід. Така ситуація аналогічна тій, що створюється під час переходу малоамплітудного геологічного порушення. Автори виконали моделювання перерозподілу напружень і необоротних зрушень навколо виробки прямокутного перерізу, що перетинала вугільний пласт, який можна розглядати як геологічне порушення. Моделювання здій- снювалось для глибини, що відповідала вертикальній компоненті 14 МПа, тобто глибина розробки становила 520 м. Проте одна горизонтальна компо- нента приймалась 12 МПа, а друга 24 МПа, що дало змогу змоделювати Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 45 аномально великі горизонтальні напруження в одному з напрямків. Розраху- нкова схема наведена на рисунку 1. Підготовча виробка підсікала вугільний пласт з його лежачого боку, коли слабкий вугільний пласт опинявся спочатку у покрівлі виробки, а потім у пласт переміщувалась підошва. Під час моделювання за допомогою пакету FLAС3D автори досліджували вплив кута орієнтації максимальної горизон- тальної компоненти нормального напруження відносно поздовжньої осі ви- робки. Міцність порід моделювали за допомогою моделі Кулона_Мора. Автори встановили, що розподіл напружень і зони руйнування порід си- метричні у випадках, коли максимальна компонента напружень паралельна або перпендикулярна до осі виробки. Максимум розмірів зони позамежного стану навколо виробки спостерігався на ділянці переходу вугільного пласта, що також очевидно, оскільки міцність вугільного пласта менша за міцність оточуючих порід. Рисунок 1. Числова модель: (а) геометрична модель та граничні умови; (б) етапи перетину вугільного пласта гірничою виробкою [7] Автори рекомендують посилювати вугільний пласт на ділянці переходу, й намагатись не орієнтувати вісь виробки до лінії зустрічі з пластом під гост- рим кутом, оскільки це призводить до а) несиметричного розвитку зони руйнування навколо виробки і б) розмір зони руйнування збільшується. Такі висновки взагалі очевидні й без моделювання. Зауважимо, що автори не до- слідили вплив порушення на величину навантаження кріплення виробки, хоча цей фактор є важливим. Найбільш просунутим є рішення Шашенко О.М та ін. [8]. Автори, мето- дом скінчених елементів, дослідили еволюцію напружено-деформованого стану порід навколо виробки під час переходу скиду. Нажаль, глибина за- кладення виробки була малою (225 м) і навіть за умов слабких порід вели- чина критерію стійкості проф. Заславського не перевищувала 0,33, що є умовою задовільної стійкості виробки. Інструментальні спостереження підт- вердили відсутність проблем з забезпеченням стійкості виробки без застосу- вання будь-яких додаткових заходів. Проте результати моделювання мають значний інтерес, оскільки досвід рішення таких задач дуже обмежений. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 46 Суттєвою перевагою результатів досліджень [8] і його співавторів є те, що була вирішена спільна задача деформування оточуючих виробку порід й рамного кріплення, яке найпоширеніше в українських вугільних шахтах. Проте були допущені деякі спрощення під час виконання досліджень Так на сторінці 153 вказується, що під час моделювання навантаження на рамне кріплення прикладалось як рівномірне, хоча у реальних умовах розподіл на- вантаження на раму зазвичай нерівномірний, що обумовлено складним нелі- нійним механізмом взаємодії рами з оточуючими породами. Вказано, що піддатливість замку з’єднання арочного елемента й стояку моделювалось пружним елементом, хоча на рисинку 4.16 показаний елемент у вигляді напустку. Відомо, що напусток працює спочатку у пружному ре- жимі, коли навантаження або опір рами зростає, а потім по досягненню межі несучої спроможності замка він деформується пластично. Опір замка після цього або стає постійним, або збільшується з набагато меншою швидкістю, у порівнянні з пружним режимом. Фактично під час моделювання переходу порушення рамне кріплення враховувалось не застосуванням реальних рам, а імітацією їх опору у вигля- ді «розподіленого навантаження уздовж перерізу виробки» (сторінка 137). Важливо, що як китайські, так і українські дослідники змоделювали пере- хід порушення у динаміці, пересуваючи прохідницький вибій елементарни- ми заходками. Це підвищує достовірність результатів моделювання, що осо- бливо важливо під час необоротних зрушень оточуючого масиву, а отже ре- зультати моделювань є цінним підґрунтям для виконання подальшого дослі- дження складної геомеханіки переходу геологічного порушення підготов- чою виробкою у тривимірній постановці, яке й є метою даної статті. Авторами здійснено подальший розвиток рішення задачі про перехід гео- логічного порушення з урахуванням кращих здобутків й напрацювань вітчи- зняних й закордонних дослідників. Для цього рамне кріплення на відміну від відомих рішень моделювалось у вигляді явних рам, що встановлювались че- рез 1 м одна від одної. Крім того задача виконувалась у режимі великих де- формацій, коли положення вузлів розрахункової скінчено-різницевої схеми корегувались з урахуванням отриманих зміщень і деформацій масиву гірсь- ких порід. Цей підхід суттєво збільшує достовірність результатів моделю- вання, коли враховується перехід порід через межу міцності. Ще більш важ- ливим є пряме врахування часу протікання геомеханічних процесів, коли автоматично моделюються динамічні ефекти, шо виникають у процесі зру- шень і особливо руйнувань уміщуючих порід, та враховується час, а отже швидкість посування підготовчих виробок. 2. МЕТОДОЛОГІЯ ДОСЛІДЖЕНЬ Перехід порушення в умовах вугільних шахт Павлоградвугілля моделю- вався на глибині 500 м, де співвідношення діючих вертикальних напружень до середньої міцності оточуючих порід є більшим за критичний рівень 0,33. Отже в цих умовах навколо виробки повинні створюватись зони необорот- них деформацій й руйнації масиву навіть за межами геологічних порушень. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 47 Виробка аркової форми мала висоту 3,8 м і ширину 5 м у чорні. Розміри розрахункової схеми були такі: ширина 60 м, висота 58 м, глибина 32 м (рис. 2). На бокових стінках моделі були заборонені будь-які переміщення по нормалі, днище моделі закріплювалось повністю, а до верхньої грані мо- делі прикладене навантаження від порідної товщі, що залягала вище. Рисунок 2. Розрахункова схема Виробка закріплена рамами зі спецпрофілю СВП27. Рами моделювались з наступними механічними параметрами: модуль пружності сталі приймався 2х1011 Па, коефіцієнт Пуассона=0.30, площа перерізу профілю 34х10-4 м2, моменти інерції Мх=1400х10-8 м4 , Мy=731х10-8 м4 Критичний момент, після досягнення якого профіль пластично деформується =1,47х104 Нм. Заходки здійснювались на глибину 1 м. Рамне кріплення встановлювали з відставанням 1 м від прохідницького вибою. Отже, усього здійснено 32 за- ходки. Отримані після кожної заходки результати моделювання (напружен- ня, деформації, прискорення, швидкості й зміщення порід, ідентифіковані зони, що були зруйновані і перейшли за межу міцності, причини руйнуван- ня, величини розпушення та ущільнення порід і ряд інших параметрів) збе- рігались у окремих 32 файлах, а результати моделювання на попередній за- ходці використовувались у якості початкового стану системи, що забезпечи- ло достовірність результатів моделювання й відображення реальної послідо- вності геомеханічних станів системи і фізичних подій. Кут падіння порушення становив 47 градусів, а потужність його напов- нювача склала 5 м. Отже, довжина переходу порушення з урахуванням його кута падіння становила 10 м, або з 12 м по 22 м уздовж напрямку посування прохідницького вибою. На рисунку 3 синім кольором показане порушення у розрізі (тут і далі для наочності будуть наводитись розрізи уздовж виробки). Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 48 Рисунок 3. Вид геологічного порушення у розрізі уздовж осі виробки Спочатку задавали геостатичний розподіл напружень: вертикальна ком- понента становила 12,5 МПА, дві горизонтальні 6,75 МПа. Механічні влас- тивості оточуючих порід приймались згідно монографії [8] та ін. такими: об’ємний модуль деформації 8х109 Па, модуль зсуву 4х109 Па, зчеплення порід покрівлі й підошви приймалось у масиві 13.2 МПа й 10,2 МПа у межах перерізу виробки. Кут внутрішнього тертя 35 градусів для покрівлі й підош- ви, 30 градусів у межах перерізу виробки. Межа порід покрівлі на розтяг- нення 2 МПа, кут дилатансії 7 градусів. Породи, які попадали у переріз ви- робки мали межу міцності на розтягнення 1,7 МПа. Модель Мора-Кулона застосовувалась для визначення моменту переходу породи у позамежний стан. Одночасно з задачею деформування масиву, кріплення й виробки вирі- шувалась супутня задача фільтрації метану у виробки з оточуючого масиву, оскільки зі зростанням глибини розробки газоносність порід збільшується. Проникність порід приймалась 2х10-13 м2, поруватість порід 3%. Проник- ність вугільного пласта становила 2х10-13 м2. Тиск метану у глибині масиву приймався 4 МПа. Результати рішення спряженої задачі є предметом окре- мої публікації. Спочатку була вирішена задача деформування виробки за межами геоло- гічного порушення. Задача використовувалась як тестова, щоб потім порів- нювати результати моделювання під час переходу порушення. Вісь Z орієн- тована уверх проти сили тяжіння. Вісь Y направлена у глибину розрахунко- вої області, й співпадає з напрямком проходки виробки. Вісь X направлена від центра виробки у бік. Усі задачі вирішувались так, щоб коректно врахувати початкові умови моделювання. Так на першому етапі моделювався вихідний напружений стан розрахункової схеми. Оскільки FLAC3D прямо й безпосередньо врахо- вує час протікання процесів, що моделюються, необхідно дати деякий час, Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 49 щоб встановити рівноважний напружений стан. Будь-яке збурення масиву , наприклад, навіть здійснення заходки на 1 м порушує статичний стан і у оточуючому масиві виникають небалансовані внутрішні сили, які виклика- ють прискорення зрушень порід у порожнину виробки. Особливо чутливим до розбалансування сил є масив, частина якого перейшла у позамежний стан. З часом дисбаланс зменшується, а швидкість зрушень згасає, як це бу- ває у реальності. На рисунку 4 показано графік зменшення сил дисбалансу під час ство- рення вихідного початкового пружно-деформованого стану масиву гірських порід, який був до початку проведення виробки. Рисунок 4. Графік дисбалансу внутрішніх сил у моделі під час досягнення геостатичного рівня напружень, а також розподіл осідань моделі під дією тяжіння На вертикальній осі вказана сума незбалансованих сил у вузлах розрахун- кової сітки. На горизонтальній осі – час у циклах. Розрахунки завершуються по досягненню допустимої похибки, яка у даному випадку складала 10-5, або 0,001%. У даній задачі геостатичний пружний стан масиву досягнуто приб- лизно протягом 8000 циклів перерахунку прискорень і сил, що діють у вуз- лах кінцево-різницевої сітки. У результаті було досягнуто геостатичний стан масиву порід з задовіль- ною точністю. Як бачимо з рис. 4, 60-метрова товща масиву гірських порід осіла на 1,236 м під дією власної ваги й порід, які залягають вище. Осідання рівномірно розподілені, а величина компонент нормальних напружень від- повідає заданим раніше з задовільною точністю. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 50 Перед початком проходки підготовчої виробки досягнуті зрушення зану- ляються, що дозволяє визначити зрушення на контурі виробки під час її проходки у чистому вигляді. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ Проходка підготовчої виробки здійснювалась у напрямку від початку си- стеми координат уздовж осі Y. Швидкість проходки становила 250 м/міс і калібрувалась згідно результатів шахтних інструментальних спостережень за конвергенцією порід на контурі виробки. Так протягом півроку після про- ведення виробки на глибині 500 м здимання підошви виробки згідно інстру- ментальним спостереженням досягало 0,5 м. Згідно моделювання по мірі поглиблення вибою у масив гірських порід навколо її порожнини відбувався перерозподіл напружень. На рисунку 5 наведено розподіл вертикальної компоненти відразу під час проходки підготовчої виробки. В цілому перерозподіл вертикальної компо- ненти нормальних напружень навколо виробки добре узгоджується з відо- мими закономірностями, що свідчить про достовірність результатів моделю- вання. У бокових стінках виробки спостерігається підвищення напруження, причому максимальний коефіцієнт їх концентрації дорівнює 2,5 і приуроче- ний до кутової частини бокової стінки, що примикає до підошви виробки. Під і над перерізом виробки створюються розвантажені від гірського тиску зони, причому глибина помітного розвантаження у підошву складає прибли- зно пів ширини виробки, а у покрівлю значне розвантаження розповсюджу- ється майже на 1,5 діаметру перерізу виробки учорні. Це закономірно, оскі- льки у покрівлі напрямок додаткових зрушень, обумовлених проходкою ви- робки співпадає з силою тяжіння, а у підошві вони мають протилежний на- прямок. Рисунок 5. Розподіл вертикальної компоненти нормальних напружень і зрушень навколо виробки Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 51 Натомість співвідношення зміщень покрівлі й підошви протилежне. Це обумовлено перш за все формою перерізу виробки. У покрівлі аркова форма сприяє збереженню міцності порід і не дозволяє розвиватись процесу руй- нування. Плоска підошва виробки, а також прямі кути її спряження з боко- вими стінками породжують причини, з яких здимання порід підошви випе- реджає осідання покрівлі. На рисунку 6 ілюструється еволюція зруйнованих зон навколо вибою під час проходки підготовчої виробки. На перших двох фрагментах показано вид вибою від спостерігача, що стоїть збоку на відстані 15 м від нього. На третьому фрагменті наведено вид збоку, а напрямок посування вибою вказа- ний стрілкою. Рисунок 6. Розподіл руйнувань навколо прохідницького вибою Помітно, що безпосередньо після виїмки заходки виконавчим органом прохідницького комбайну руйнуються породи у центрі вибою від розтяг- нення, яке відбувається під дією розвантаження вибою від напруження. По- чинається руйнування у безпосередній підошві виробки, яка здимається у її порожнину. Поступово руйнування охоплює середину прохідницького ви- бою у результаті віджиму порід або вугільного пласта, й поглиблюється у підошві виробки. Через деякий час з деяким відставанням руйнування охоп- лює склепову частину покрівлі виробки. Інтенсивне деформування порід підошви й особливо її верхнього шару сприяє накопиченню здимання порід підошви, яке через пів року сягає вели- чини 0,42 м (рисунок 7), що добре узгоджується з результатами шахтних ін- струментальних спостережень. Осідання покрівлі і зближення бокових сті- нок виробки протягом цього періоду знаходиться у межах 0,1 м. Причому бокові стінки найбільше віджимаються у порожнину виробки у нижній час- тині перерізу виробки, що створює негативні умови для вигинів стояків ра- много кріплення і переходу їх у пластичний стан. Найбільш інтенсивно відбуваються деформування порід підошви вироб- ки. У меншій мірі, але помітно, деформуються й породи покрівлі. Проте і там і там відбувається розпушення порід і збільшення їх об’єму (правий Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 52 фрагмент рисунку). Найменш інтенсивно деформується защемлений куток масиву між підошвою і боковою стінкою виробки. Співвідношення між ін- тенсивністю вказаних деформацій визначається як 2,6:0,5:1,5. Причому де- формування покрівлі і підошви з часом зростає, а бокової стінки згасає. Рисунок 7. Стан перерізу виробки пів року після її проходки Максимум розпушення оточуючого масиву спостерігається у підошві ви- робки, тоді як бокові стінки демонструють деякі додаткові деформації зме- ншення початкового об’єму, особливо у кутковій зоні, де спостерігалась найбільша концентрація вертикальної компоненти нормальних напружень. Отже, з часом, навколо перерізу виробки створюється зона непружних деформацій, розміри якої становлять 1,2-1,5 м у покрівлі і підошви виробки й 0,5 м у бокових стінках. Породи вибою переходять у позамежний стан під дією критичних деформацій розтягнення. Бокові стінки віджимаються у ре- зультаті критичних деформацій розтягнення й зсуву. Така поведінка уміщуючих порід добре узгоджується з результатами на- турних спостережень у реальних виробках під час їх проходки на глибині 450-500 м. Це свідчить про достовірність отриманого напружено- деформованого стану навколо прохідницької виробки й його еволюції з ча- сом її експлуатації. Отже, розроблену модель можна застосувати для дослі- дження поведінки виробки під час переходу геологічного порушення. 4. ВИСНОВКИ Виконані дослідження дозволили встановити нові закономірності розвит- ку зруйнованих порід навколо підготовчої виробки під час переходу геоло- гічного порушення. Показано, що на ділянці пересічення геологічного порушення підготов- чою виробкою напружений стан масиву навколо неї суттєво (у 1,3-1,5 рази) Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 53 знижується, а розмір зруйнованих порід збільшується у порівнянні з ділян- кою, яка розташована у недоторканому масиві. Перед входом виробки у зо- ну геологічного порушення й на виході з неї концентрація напружень збіль- шується у 1,1-1,3 рази у порівнянні з тою, що була навколо виробки, розта- шованої у недоторканому масиві. Максимум концентрації вертикальної компоненти напружень у кутовій нижній частині стінок виробки збільшу- ється з 2,5 до 3, а горизонтальна компонента напружень збільшується у склеповій частині виробки у 2,5 рази. Ступінь зростання напружень більша перед входом підготовчої виробки у зону порушення, ніж на виході з цієї зони. Навантаження на рамне кріплення у зоні геологічного порушення збіль- шується у кілька разів у порівнянні з ділянками, де виробка пройдена у не- доторканому масиві. У недоторканому масиві гірських порід зона руйнування розвивається ві- дносно рівномірно як у боки виробки, так і у покрівлю та підошву з деякою перевагою у підошву виробки. На ділянці геологічного порушення ж пріо- ритетне зростання розмірів зони руйнування відмічається у бокових стінках виробки за умов, коли темпи проходки виробки зберігаються постійними. У випадку вимушеної зупинки проходки на самому початку входу в геологічне порушення руйнування може розвинутись не тільки у бокові стінки, але й у покрівлю та підошву. Доцільно на ділянці переходу геологічного порушення застосувати бага- толанкове рамне кріплення з вузлом піддатливості у склеповій частині рам. Одночасно треба погодитись з попередніми спеціалістами, які слушно і майже одностайно пропонують застосовувати комбіноване рамно-анкерне кріплення на ділянках переходу геологічних порушень. Додамо, що най- більш ефективними будуть канатні довгі (4-6 м) анкери, причому їх ефекти- вність буде суттєво підвищуватись, якщо застосувати попередній натяг ка- натів на 50-100 кН [9]. Даний висновок справедливий за умов, коли ампліту- да порушення становить 5 м, вісь виробки орієнтована по нормалі до лінії простягання геологічного порушення і наближається виробка до порушення зі сторони лежачого боку, а кут його падіння становить близько 45 градусів. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Johnson, J., Jacobs, C., Ferster, M., & Tadolini, S. (2017). Void fill and support techniques to stabilize drift excavated through a transition zone mined by a TBM at the Stillwater mine. International Journal of Mining Science and Technology, 27(1), 71-76. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2016.11.007 2. Li, H., Lin, B., Hong, Y., Gao, Y., Yang, W., Liu, T., Wang, R., & Huang, Z. (2017). Effects of in-situ stress on the stability of a roadway excavated through a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology, 27(6), 917-927. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.013 3. Liu, Q., Wang, E., Kong, X., Li, Q., Hu, S., & Li, D. (2018). Numerical simulation on the coupling law of stress and gas pressure in the uncovering tectonic coal by cross- cut. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 103, 33-42. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.01.018 4. Vilarrasa, V., Makhnenko, R., & Gheibi, S. (2016). Geomechanical analysis of the Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 54 influence of CO2 injection location on fault stability. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(6), 805-818. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2016.06.006 5. Wang, H., Jiang, Y., Xue, S., Mao, L., Lin, Z., Deng, D., & Zhang, D. (2016). Influence of fault slip on mining-induced pressure and optimization of roadway support design in fault-influenced zone. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(5), 660-671. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2016.03.005 6. Yang, K., Xie, G., & Tan, G. (2011). Experimental investigation on behaviors of bolt-supported rock strata surrounding an entry in large dip coal seam. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 445-449. https://doi.org/10.3724/SP.J.1235.2011.00445 7. Yu, W., Wang, W., Chen, X., & Du, S. (2015). Field investigations of high stress soft surrounding rocks and deformation control. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 7(4), 421-433. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2015.03.014 8. Шашенко, А. Н., Садовенко, И. А., Сдвижкова, Е. А., Гапеев, С. Н., & Солодянкин, А. В. (2017). Переход Богдановского сброса: обоснование, технология, мониторинг, результат. ЛізуновПрес. 9. Захарова, Л.М., & Гріньов, В.Г. (2017). Основи забезпечення стійкості підготовчих виробок в умовах необоротного деформування масиву гірських порід. Уголь Украины, 3-11. REFERENCES 1. Johnson, J., Jacobs, C., Ferster, M., & Tadolini, S. (2017). Void fill and support techniques to stabilize drift excavated through a transition zone mined by a TBM at the Stillwater mine. International Journal of Mining Science and Technology, 27(1), 71-76. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2016.11.007 2. Li, H., Lin, B., Hong, Y., Gao, Y., Yang, W., Liu, T., Wang, R., & Huang, Z. (2017). Effects of in-situ stress on the stability of a roadway excavated through a coal seam. International Journal of Mining Science and Technology, 27(6), 917-927. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.013 3. Liu, Q., Wang, E., Kong, X., Li, Q., Hu, S., & Li, D. (2018). Numerical simulation on the coupling law of stress and gas pressure in the uncovering tectonic coal by cross- cut. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 103, 33-42. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.01.018 4. Vilarrasa, V., Makhnenko, R., & Gheibi, S. (2016). Geomechanical analysis of the influence of CO2 injection location on fault stability. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(6), 805-818. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2016.06.006 5. Wang, H., Jiang, Y., Xue, S., Mao, L., Lin, Z., Deng, D., & Zhang, D. (2016). Influence of fault slip on mining-induced pressure and optimization of roadway support design in fault-influenced zone. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(5), 660-671. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2016.03.005 6. Yang, K., Xie, G., & Tan, G. (2011). Experimental investigation on behaviors of bolt-supported rock strata surrounding an entry in large dip coal seam. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 445-449. https://doi.org/10.3724/SP.J.1235.2011.00445 7. Yu, W., Wang, W., Chen, X., & Du, S. (2015). Field investigations of high stress soft surrounding rocks and deformation control. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 7(4), 421-433. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2015.03.014 8. Shashenko, A.N., Sadovenko, Y.A., Sdvyzhkova, O.A., Hapeev, S.N., & Solodiankyn, A.V. (2017). Perekhod Bohdanovskoho sbrosa: obosnovanie, tekhnolohyia, monitorinh, rezultat. LizunovPres. Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва 2023, вип. 25 55 9. Zakharova, L.М., & Hrinov, V.G. (2017). Osnovy zabezpechennia stiikosti pidhotovchykh vyrobok v umovakh neoborotnoho deformuvannia masyvu hirskykh porid. Uhol Ukrayny, 3-11. ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета досліджень полягала в уточненні геомеханіки зрушень навколо підго- товчої виробки, руйнувань оточуючого масиву й динаміки навантаження на рамне кріплення при переході геологічного порушення. При цьому викорис- товувався метод комп’ютерного моделювання у тривимірній постановці (платформа FLAC3D) й враховувався час протікання необоротних процесів зрушення масиву гірських порід та позамежне їх деформування. Результати дослідження. Вирішена задача дослідження перерозподілу на- пружень навколо підготовчої виробки й навантаження на її рамне кріплення під час переходу геологічного порушення. Задача вирішена у тривимірній постановці з урахуванням спільного опору рамного кріплення і деформу- вання перерізу підготовчої виробки. Наукова новизна. Вперше доведено, що напруження навколо перерізу ви- робки у зоні геологічного порушення зменшуються, а необоротні зрушення, розміри зруйнованих порід й навантаження на рамне кріплення збільшують- ся у зоні порушення. Отримані кількісні оцінки вказаних відмінностей. Практична значимість результатів. Особливості геомеханіки переходу геологічного порушення дозволяють уточнити вимоги до параметрів кріп- лення підготовчих у зоні геологічного порушення. Ключові слова: деформації, напруження, перехід геологічного порушення, прохідницький вибій ABOUT AUTHORS Zakharova Ludmila, Doctor Technical Sciences, Branch for Physics of Mining Pro- cesses of the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Acade- my of Sciences of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. E-mаil: mila2017ma@gmail.com Nazimko Victor, Doctor Technical Sciences, Branch for Physics of Mining Processes of the M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine, 15 Simferopolskaya Street, Dnipro, Ukraine, 49005. Merzlikin Artem, Candidate of Technical Sciences (Ph. D.), Public Higher Education Institution Donetsk National Technical University, 56 Potebni Street., Lutsk, Ukraine, 43003. е-mаil: artem.merzlikin@donntu.edu.ua

Дослідження геомеханічних процесів, що супроводжують перехід геологічного порушення підготовчим вибоєм

Institution

Similar Items