Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания
Виконано чисельне моделювання геомеханічних та фільтраційних процесів навколо вибою одиночної гірничої виробки, що проводиться буровибуховим способом у режимі струсного підривання. Ураховано дію хвилі стискаючих напружень і напружень розтягу, що віддається від поверхні вибою. Проаналізовано зміну ро...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32832 |
| 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 геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания / В.В. Круковская, А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860102144581959680 |
|---|---|
| author | Круковская, В.В. Круковский, А.П. |
| author_facet | Круковская, В.В. Круковский, А.П. |
| citation_txt | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания / В.В. Круковская, А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано чисельне моделювання геомеханічних та фільтраційних процесів навколо вибою одиночної гірничої виробки, що проводиться буровибуховим способом у режимі струсного підривання. Ураховано дію хвилі стискаючих напружень і напружень розтягу, що віддається від поверхні вибою. Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних 
параметрів та параметрів течії метану під час вибуху.
Numerical modeling of geomechanical and filtrational processes in a working face of single opening, what is driving by blast-hole drilling in mode of shaking blasting operation, is executed. 
Action of a wave of compression stresses and stresses of tension which are reflected from a working face surface is considered. The analysis of values of geomechanical parameters and parameters of methane flow during to blast the face is carried out.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:29:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
Геотехническая механика"
УДК 622.26:622.235.001.57
В.В. Круковская, к.т.н.,
А.П. Круковский, к.т.н.
(ИГТМ НАН Украины)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЫРАБОТКИ
БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ В РЕЖИМЕ
СОТРЯСАТЕЛЬНОГО ВЗРЫВАНИЯ
Виконано чисельне моделювання геомеханічних та фільтраційних процесів навколо
вибою одиночної гірничої виробки, що проводиться буровибуховим способом у режимі
струсного підривання. Ураховано дію хвилі стискаючих напружень і напружень розтягу,
що віддається від поверхні вибою. Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних
параметрів та параметрів течії метану під час вибуху.
MATHEMATICAL MODELLING OF GEOMECHANICAL AND
FILTRATIONAL PROCESSES AT THE DRIVE WORKING BY BLAST-
HOLE DRILLING IN MODE OF SHAKING BLASTING OPERATION
Numerical modeling of geomechanical and filtrational processes in a working face of single
opening, what is driving by blast-hole drilling in mode of shaking blasting operation, is executed.
Action of a wave of compression stresses and stresses of tension which are reflected from a work-
ing face surface is considered. The analysis of values of geomechanical parameters and parame-
ters of methane flow during to blast the face is carried out.
Взрывные работы на выбросоопасных пластах ведутся в режиме сотряса-
тельного взрывания, направленного на защиту людей от опасных последствий
внезапных выбросов [1, 2]. В результате организации производства взрывных
работ с применением специальных схем расположения и взрывания шпуро-
вых зарядов при отсутствии людей в проводимой выработке и в опасной зоне
либо провоцируются выбросы угля и газа, либо снижается их частота и ин-
тенсивность. Заряды ВВ по углю рассчитываются как заряды камуфлетного
рыхления для того, чтобы создать вокруг шпуров системы трещин [3]. В этом
случае происходит интенсивная дегазация угольного пласта и снятие напря-
женного состояния в пределах контура выработки.
В природе часто встречаются случаи, когда две или больше физических сис-
тем взаимодействуют друг с другом. Решение подобных задач невозможно без
одновременного решения нескольких систем уравнений. Такие системы называ-
ются связанными, и эта связь может быть слабой или сильной в зависимости от
степени их взаимодействия. Связанные системы классифицируются как: 1) те, в
которых связь происходит на поверхностях раздела области через граничные ус-
ловия; 2) системы, в которых различные области взаимодействия накладываются
(полностью или частично), и связь происходит через дифференциальные уравне-
ния, описывающие различные физические явления [4].
Очевидно, что задача о воздействии взрыва зарядов ВВ при проведении
одиночной горной выработки в режиме сотрясательного взрывания в газона-
сыщенном углепородном массиве является связанной задачей второго класса,
Выпуск № 81
состоящей в определении нестационарного напряженно-деформированного
состояния породного массива, распространения волны напряжений от взрыва
зарядов и параметров нестационарной фильтрации метана. Изменение напря-
женно-деформированного состояния среды влечет за собой изменение ее
проницаемости. Поле значений коэффициентов проницаемости обуславлива-
ет изменение параметров фильтрации газа, в том числе и его давление в тре-
щинно-поровом пространстве. В свою очередь, изменение давления газа
влияет на напряженное состояние среды. Кроме этого, во время распростра-
нения ударной волны скачок давления на ее фронте и зона растяжения (раз-
режения) за фронтом накладывают определенные возмущения на поле на-
пряжений и поле давления газа.
Для упрощения расчетов примем, что взрывание шпуровых зарядов в за-
бое выработки происходит одновременно. В этот момент времени в массиве
начинает распространяться волна сжатия, накладывая на существующее поле
напряжений ij дополнительные напряжения
в
ij , вызванные взрывом.
;
в
ijij
полн
ij
Для расчета радиальной trr , и тангенциальной tr, составляющих
волны напряжений при взрыве сосредоточенного заряда, в диапазоне рас-
стояний 010020 Rr , где 0R – радиус заряда, Боровиков В.А. и Ваня-
гин И.Ф. [5] предлагают использовать зависимости, полученные для крепких
горных пород на основании лабораторных и натурных экспериментальных
данных:
00
n
max
sin
sin
e, n
rr tr ,
nn
n
nr
ntr 00
n
2
00
n
max
sin
sin
esin
3
1
,
где прtt – время с момента прихода волны напряжения в заданную точку
r ; t - текущее время с момента взрыва ВВ; прt – время прихода волны в за-
данную точку r ; 021 Rraan – время нарастания амплитуды напряжения
до максимального значения, с;
0R
r
r – относительное расстояние; ;
1,1
max
545
r
спп
r
– максимальное радиальное напряжение в заданной точке r ;
п – плотность породы; пс – скорость звука в породе; max
21
max
rrcc –
максимальное тангенциальное напряжение в заданной точке r ; n ctg
Геотехническая механика"
– коэффициент, характеризующий крутизну нарастания и спада амплитуды
волны напряжений во времени;
0
21
R
rbb
– коэффициент, характеризую-
щий продолжительность положительной фазы волны напряжений;
,101087,002,0
38
1
nnca ,1010122,019,0
47
2
nnca
,1027150
6
1 nncb
,102,0
7
2 nncb
, – размерные коэффициенты, за-
висящие от типа породы;
,0 при ,0
,0 при ,1
0
t
t
– разрывная функция нулевого
порядка.
Когда волна сжатия подходит к открытой поверхности забоя, она отража-
ется от нее, превращаясь в волну растяжения, центром которой является точ-
ка, симметричная центру взрыва относительно поверхности забоя.
Нестационарное напряженно-деформированное состояние породного массива
в окрестности горной выработки, проницаемость среды и нестационарное нели-
нейное движение газа в нарушенном массиве описываются системой уравнений
[6, 7]:
;,,,, ;,,,,
;0
;,, ,
2
2
,
y
p
tvyxkv
x
p
tvyxkv
tq
y
p
k
yx
p
k
xt
p
yxji
t
u
tPtTtYtX
ijyijx
г
i
пiiijij
;
22
yx vvv (1)
;1,0 при
;8,0 при ),(
;8,07,0 при
0,7;Q при 0
,,
;,,,
max
65,458,2
min
2
31
Pk
Qetf
Qk
tvk
tvkyxkk
t
tt
ij
ijтехн
ijтекттехн
где jij , – производные от компонент тензора напряжений по x, y; t – время;
tX i – внешние силы; tYi – сила воздействия взрывной волны; tTi – силы,
вызванные внутренним трением, tuctT igi ; сg – коэффициент демпфи-
рования, определяемый экспериментально;
iu – перемещения; tP – сила
давления газа;
п – плотность породы;
г – вязкость газа; p – его давление;
Выпуск № 81
)(tq – интенсивность источников газовыделения; k – полное поле коэффици-
ентов проницаемости пород;
технk – технологическая проницаемость, вызван-
ная перераспределением поля напряжений в результате проведения горной
выработки; ),( yxkтект
– начальная, тектоническая проницаемость, которая
развивается в углях в результате тектонических процессов и является основ-
ным фактором их выбросоопасности; HQ 31 и HP 3 – геоме-
ханические параметры; - усредненная плотность вышележащих горных по-
род; H - глубина разработки.
Для математического описания процесса перехода горных пород в нару-
шенное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое
учитывает возможность возникновения разрушения как в результате сдвига,
так и в результате отрыва [8, 9].
Начальные и граничные условия:
;0
;0
);,(
1,0 ;
;8,0
;8,0
;
;
;
4
3
2
1
0
0
0
0
y
x
тект
вырвыр
водыt
водыt
tzz
txx
tyy
u
u
yxfk
МПа;ppp
Hp
Hp
H
H
H
(2)
где - коэффициент бокового распора;
воды - плотность воды;. t1 - изме-
няющаяся во времени граница области фильтрации; 2 - внутренний контур
(выработка);
3 - вертикальные границы внешнего контура;
4 - горизон-
тальные границы внешнего контура; вырp - давление воздуха в выработке.
Для моделирования действия взрыва в нашей задаче необходимо задать
давление газов 0p в точке взрыва. Давление на стенки шпура:
20 dpp ,
где dp - детонационное давление, определяющее величину импульса и бри-
зантное действие ВВ.
Детонационное давление – один из основных параметров ударных волн [10].
Геотехническая механика"
Значения давления детонации были измерены авторами [10] для трех ти-
пов промышленных ВВ. Исходя из полученных данных, можно сказать, что
МПаpd 240001500 . То есть, к начальным условиям (2) добавится сле-
дующее:
2 , ,
d
yyxxtt
p
p
взрвзрвзр
, (3)
где взрt - момент взрыва; взрx , взрy - координаты центра взрыва.
Чтобы получить решение системы (1) на определенном временном про-
межутке, применяется конечно-разностный метод. При этом считается, что в
начальный момент времени t = 0 распределение напряжений и давления зада-
но, и для достаточно малых значений t с помощью итерационных соотно-
шений получаем распределение напряжений, давления метана, скоростей его
течения и расходов на момент времени tt . Этот процесс продолжается от
исходного состояния до любого текущего момента времени.
Рассмотрим случай, когда выработка высотой 3 м проводится по выбросо-
опасному угольному пласту мощностью 1,5 м. Глубина проведения выработ-
ки – 1000 м. Газоносность угля – 20 м
3
/т, содержание метана в свободной
форме – 10 %, в сорбированной – 90 %. Вмещающая порода – аргиллит.
Свойства пород приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Характеристики пород
Порода
Модуль
упруго-
сти, Е,
МПа
Коэф-
фициент
Пуассо-
на,
Сцепле-
ние, С,
МПа
Угол
внутрен-
него тре-
ния, о
Проч-
ность на
растяже-
ние, р ,
МПа
Плот-
ность,
кг/м
3
Ско-
рость
звука в
породе,
м/с
Аргиллит 10
4
0,2 3,5 30 –2 2*10
3
5*10
3
Уголь 5*10
3
0,2 1,75 30 –1 1,25*10
3
3*10
3
Выработка проводится буровзрывным способом в режиме сотрясательно-
го взрывания ( 02,00 R м, длина шпуров 2шl м).
Для условий нашей задачи максимальные значения радиальных и танген-
циальных напряжений на различных расстояниях от точки взрыва, рассчи-
танные по формулам Боровикова В.А., Ванягина И.Ф., показаны на рис. 1.
Волна напряжений от взрыва одного заряда в точке 0,1r м будет иметь
вид (по формулам Боровикова В.А., Ванягина И.Ф.), рис. 2:
Расчеты проводятся с применением метода конечных элементов. Конечно-
элементная сетка, шпуры для отбойки угля и породы (1-3) показаны на рис. 3.
Шаг по времени составляет 0,1 с. Взрывание происходит в момент времени t
= 0,2 с.
Выпуск № 81
а)
б)
a) горизонтальное направление; б) вертикальное направление
Рис. 1 – Максимальные радиальные и тангенциальные напряжения
на различных расстояниях от точки взрыва
Геотехническая механика"
Рис. 2 – Волна напряжений в точке 0,1r м, угольный пласт
Рис. 3 – Центральный фрагмент конечно-элементной сетки с шпурами для отбойки угля
и породы (1-3)
При выполнении расчета для случая сотрясательного взрывания зарядов 1-
3 получим распределение геомеханических и фильтрационных параметров в
различные моменты времени. На рис. 4 показано распределение значений па-
раметра Q, который характеризует степень разнокомпонентности поля на-
пряжений и возможность возникновения разрушения. На рис. 5 представлена
область неупругих деформаций в момент взрыва.
Выпуск № 81
а) б)
а) до взрыва (t = 0,1 с); б) после взрыва (t = 0,2 с)
Рис. 4 – Распределение значений параметра Q
Рис. 5 – Зона неупругих деформаций, t = 0,2 с
Из рисунков видно, что в результате взрывов изменяется распределение
напряжений впереди забоя. Вокруг каждого из зарядов образуется зона пол-
ностью разрушенных пород, эти зоны от трех центров взрывов объединяются
и формируют единую область глубиной шl . Далее расположена зона нару-
шенных пород с повышенной трещиноватостью.
На рис. 4б можно видеть, что значения параметра Q в угольном пласте
меньше, чем во вмещающих породах. Это связано с различиями прочностных
свойств угля и аргиллита – разрушение угля происходит при меньших значе-
ниях напряжений. Прилежащая к забою область, рис. 5, разрушается в ре-
зультате действия отраженной от поверхности забоя волны растяжения.
Геотехническая механика"
а) б)
в) г)
а) t = 0,2 c; б) t = 0,4 c; в) t = 1 c; г) t = 2 c
Рис. 6 – Относительное давление метана (
0/ pp )
На рис. 6 приведены изобары относительного давления метана перед забо-
ем выработки. Серым цветом выделен угольный пласт.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что в результате
взрывания зарядов 1-3 вокруг каждого из них образуется зона полностью раз-
рушенных пород, эти зоны от трех центров взрывов объединяются и форми-
руют единую область глубиной шl . Прилежащая к забою область разрушает-
ся в результате действия отраженной от поверхности забоя волны растяже-
ния. Из рис. 6а, 6б видно, что относительное давление газа в разрушенной об-
ласти меньше 0,1 – т.е. практически равно давлению воздуха в выработке. В
центрах взрывов давление газа высоко, рис. 6а, но на следующих итерациях,
рис. 6в, 6г, происходит интенсивная дегазация угольного пласта – давление
метана в нем быстро снижается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шевцов Н.Р., Таранов П.Я., Левит В.В., Гудзь А.Г. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для
вузов. – 4-е издание переработанное и дополненное – Донецк, 2003. – 253 с.
2. Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ. // Стандарт Мінвугле-
прому України. СОУ 10.1.00174088.011-2005. – К.: Мінвуглепром України, 2005. – 226 с.
3. Петросян А.Э., Иванов Б.М. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа. // В сб. науч.
трудов ИГД им. А.А. Скочинского «Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа» – М.: Недра,
1978. – С. 3-61.
4. Zienkiewicz, O.C. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. Sixth edition / O.C. Zienkiewicz,
R.L. Taylor, J.Z. Zhu. – Butterworth-Heinemann, 2005. – 772 p.
5. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. – М.:
Недра, 1990. – 231 с.
6. Круковская В.В. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием компьютерного
моделирования //Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных
породах и выработках: Матер. XVII Межд. науч. школы. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. – С. 152-
154.
Выпуск № 81
7. Круковская В.В., Круковский А.П. Компьютерное моделирование процесса выброса угля и метана
вблизи тектонических нарушений различных типов. // Метан угольных месторождений Украины. Материалы
пятой международной научно-практической конференции // Геотехническая механика: Сб. научн. тр./НАН
Украины ИГТМ. – Днепропетровск, 2008. - № 80. – С. 238-250.
8. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. – М.: Недра,
1984. – 415 с.
9. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. – М.: Мир, 1969. – Т. 1. –648 с.
10. Ефремов Э.И., Харитонов В.Н., Семенюк И.А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глу-
боких шахтах. – М.: Недра, 1979. – 256 с.
Рекомендовано до публікації д.т.н. Е.І. Єфремовим 18.08.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-32832 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:29:19Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковская, В.В. Круковский, А.П. 2012-05-25T18:31:58Z 2012-05-25T18:31:58Z 2009 Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания / В.В. Круковская, А.П. Круковский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32832 622.26:622.235.001.57 Виконано чисельне моделювання геомеханічних та фільтраційних процесів навколо вибою одиночної гірничої виробки, що проводиться буровибуховим способом у режимі струсного підривання. Ураховано дію хвилі стискаючих напружень і напружень розтягу, що віддається від поверхні вибою. Проаналізовано зміну розподілів значень геомеханічних 
 параметрів та параметрів течії метану під час вибуху. Numerical modeling of geomechanical and filtrational processes in a working face of single opening, what is driving by blast-hole drilling in mode of shaking blasting operation, is executed. 
 Action of a wave of compression stresses and stresses of tension which are reflected from a working face surface is considered. The analysis of values of geomechanical parameters and parameters of methane flow during to blast the face is carried out. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания Mathematical modelling of geomechanical and filtrational processes at the drive working by blasthole drilling in mode of shaking blasting operation Article published earlier |
| spellingShingle | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания Круковская, В.В. Круковский, А.П. |
| title | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| title_alt | Mathematical modelling of geomechanical and filtrational processes at the drive working by blasthole drilling in mode of shaking blasting operation |
| title_full | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| title_fullStr | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| title_full_unstemmed | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| title_short | Математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| title_sort | математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов при проходке выработки буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32832 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskaâvv matematičeskoemodelirovaniegeomehaničeskihifilʹtracionnyhprocessovpriprohodkevyrabotkiburovzryvnymsposobomvrežimesotrâsatelʹnogovzryvaniâ AT krukovskiiap matematičeskoemodelirovaniegeomehaničeskihifilʹtracionnyhprocessovpriprohodkevyrabotkiburovzryvnymsposobomvrežimesotrâsatelʹnogovzryvaniâ AT krukovskaâvv mathematicalmodellingofgeomechanicalandfiltrationalprocessesatthedriveworkingbyblastholedrillinginmodeofshakingblastingoperation AT krukovskiiap mathematicalmodellingofgeomechanicalandfiltrationalprocessesatthedriveworkingbyblastholedrillinginmodeofshakingblastingoperation |