Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок
В статті наведено результати використання комп'ютерного моделювання як частини комплексної методики оцінки стійкості протяжної виробки, яка споруджена у складних гірничогеологічних умовах. Зазначено, що така оцінка стійкості повинна стати невід’ємною частиною науково обґрунтованої методики прое...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2004
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87302 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок / А.Н. Шашенко, С.В. Кужель, С.Н. Гапеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 42-48. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859943609326895104 |
|---|---|
| author | Шашенко, А.Н. Кужель, С.В. Гапеев, С.Н. |
| author_facet | Шашенко, А.Н. Кужель, С.В. Гапеев, С.Н. |
| citation_txt | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок / А.Н. Шашенко, С.В. Кужель, С.Н. Гапеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 42-48. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехнічна механіка |
| description | В статті наведено результати використання комп'ютерного моделювання як частини комплексної методики оцінки стійкості протяжної виробки, яка споруджена у складних гірничогеологічних умовах. Зазначено, що така оцінка стійкості повинна стати невід’ємною частиною науково обґрунтованої методики проектування протяжних виробок, які мають довготривалий термін експлуатації та збудовані у складних гірничо-геологічних умовах
In paper the results of application of computer simulation as part of a complex technique of an estimation of stability of extended working, built in complicated mining geological conditions are described. It is underlined, that such estimation of stability should become the integral part of the scientifically justified technique of projection of extended developments having a long term of maintenance and difficult mining geological conditions.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:11:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
42
УДК 622.02.001.57:539.373
А.Н. Шашенко, С.В. Кужель, С.Н. Гареев
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯМЕТОДИКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОТЯЖЕННЫХ ВЫРАБОТОК
В статті наведено результати використання комп'ютерного моделювання як частини ком-
плексної методики оцінки стійкості протяжної виробки, яка споруджена у складних гірничо-
геологічних умовах. Зазначено, що така оцінка стійкості повинна стати невід’ємною части-
ною науково обґрунтованої методики проектування протяжних виробок, які мають довго-
тривалий термін експлуатації та збудовані у складних гірничо-геологічних умовах
OUTCOMES OF APPLICATION OF A TECHNIQUE OF COMPUTER
ESTIMATION OF STABILITY OF EXTENDED WORKING
In paper the results of application of computer simulation as part of a complex technique of an
estimation of stability of extended working, built in complicated mining geological conditions are
described. It is underlined, that such estimation of stability should become the integral part of the
scientifically justified technique of projection of extended developments having a long term of
maintenance and difficult mining geological conditions.
Обеспечение устойчивости и безопасного состояния протяженных горных
выработок является одной из актуальных задач на угледобывающих предпри-
ятий Украины. На устойчивость выработки влияет ряд факторов различного ха-
рактера, например, особенности структуры и текстуры массива, его обводнен-
ность и др., учесть которые во всей совокупности в рамках теоретических мо-
делей не представляется возможным. Поэтому к моделям, которые используют-
ся в ходе оценки устойчивости выработок в гетерогенном породном массиве,
предъявляется требование наибольшей адекватности реальным условиям зало-
жения конкретной выработки. Снять ряд математических ограничений и полу-
чить результаты с приемлемой для инженерных задач точностью позволяют
численные методы исследования, например, метод конечных элементов.
Комплексный подход к оценке состояния выработки, включающий натур-
ные измерения, лабораторный эксперимент и численное компьютерное моде-
лирование, был применен при прогнозировании устойчивости протяженной
выработки, пройденной по трещиноватым породам. Штрек сооружался с при-
менением стандартной методики (без научного сопровождения и прогнозиро-
вания состояния выработки). После проходки на почти полную длину состоя-
ние выработки на некоторых участках стало настолько неудовлетворительным
из-за частых вывалов из кровли выработки и пучения почвы, что дальнейшую
проходку пришлось остановить и выбирать новую трассу для продолжения
строительства.
Анализ имеющихся данных о горно-геологических условиях по выбранной
(новой) трассе и данные об условиях по старой трассе позволил выделить ха-
рактерные участки, на которых следовало ожидать различную устойчивость
выработки:
I – участок старой трассы, на котором штрек был подвержен значительным
деформациям, вывалам боковых пород и пучению почвы;
43
II – начальный участок новой трассы, анализ условий на котором не выявил
каких-либо особенностей структуры массива или геологических осложнений;
III – участок новой трассы с флексурой, на котором анализ условий показал
возможность присутствия флексурной складки в непосредственной близости от
проводимой выработки и потому оказывающей влияние на ее устойчивость;
IV – участок новой трассы, на котором возможно расположение выработки в
массиве с меньшей крепостью и большей трещиноватостью, чем в предыдущих
условиях.
Для оценки состояния штрека по новой трассе с привлечением метода мето-
дом конечных элементов было выполнено компьютерное моделирование с це-
лью определения размеров и конфигурации зон неупругих деформаций (ЗНД)
на различных участках (I – IV) трассы.
Задача решалась в два этапа. На первом этапе определялась ЗНД по результа-
там расчета компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) на ка-
ждом из выбранных участков выработки, которое выполнялось в упругой поста-
новке. На втором этапе размеры и конфигурация ЗНД уточнялись по упругопла-
стическому алгоритму, учитывающему эффект разупрочнения массива в пределах
ЗНД, что имеет место в реальных условиях [1]. Алгоритм проведения двухэтапно-
го решения задачи об НДС массива с выработкой подробно описан в [2,3].
Физико-механические свойства пород при решении задачи были приняты по
данным лабораторных испытаний породных образцов правильной геометриче-
ской формы. Однако реальный массив обладает существенной неоднородно-
стью, причем размеры дефектов массива могут превосходить размеры стан-
дартных образцов, что приведет к неучету ослабляющего действия дефектов на
прочность всего массива. Например, для третьей геомеханической ситуации,
рассматриваемой в настоящей задаче – ослабляющее действие флексуры на ус-
тойчивость массива.
Для описания структурно-механического ослабления массива принято су-
ществующее в геомеханике понятие о влиянии масштабного эффекта, суть ко-
торого сводится к тому, что прочность породного массива всегда ниже, чем
прочность образца. Это отличие оценивается коэффициентом структурно-
механического ослабления, который численно равен [4]:
( )
1
)1ln()1(argexp
2
2
+
+⋅−Φ
=
η
ηp
kc , (1)
где )1(arg p−Φ – аргумент функции Лапласа (нормального распределения) при
ее значении, равном (1 – р). Функция протабулирована в [5]; р – уровень на-
дежности вероятности; η – коэффициент вариации прочности массива [4]:
( ) 112
0
0 −+
+
= ηη
T
T
l
ll , (2)
44
где lT – среднее расстояние между трещинами в массиве (по данным геологи-
ческой службы), см; l0 – характерный размер стандартного породного образца,
см; 0η – коэффициент вариации прочности образцов при испытаниях на одно-
осное сжатие [6].
Коэффициенты структурного ослабления, вычисленные по приведенным
формулам для каждого из четырех участков выработки, имели различные чи-
словые значения – 0,18 (для участка I) до 0,3 (для участка II).
В результате обработки полученных данных после первого этапа расчета
построены ЗНД в окрестности выработок в каждом из четырех случаев.
После проведения второго этапа расчета размеры зон в случаях II – IV, т.е.
по новой трассе, не претерпели видимых изменений. В случае I, т.е. по старой
трассе, имело место искажение контура на почве выработки, что отразилось на
размерах и форме зоны неупругих деформаций (рис. 1) – она приобрела более
вытянутую форму со стороны почвы выработки.
В случаях III и IV зона неупругих деформаций имеет максимальные разме-
ры в направлении ослабленных участков.
а) б)
Рис. 1 – Зона разрыхления для участка I (а – после упругого решения,
б – после упругопластического решения)
Однако такая оценка является качественной. Для получения количественной
характеристики был использован коэффициент устойчивости выработки, опре-
деляемый отношением [4]
L
L
ó r
rK
*
= , (3)
где Lr – радиус зоны неупругих деформаций, отнесенный к радиусу выработки;
*
Lr – критический радиус зоны неупругих деформаций, отнесенный к радиусу
выработки.
Величина *
Lr введена в [7] при исследовании возможности вспучивания поч-
45
вы в различных горно-геологических условиях. *
Lr является таким радиусом зо-
ны разрушения, при котором выполняется условие критического состояния
почвы с точки зрения потери ее устойчивости (вспучивания):
02ln *22* =+LLv rrε , (4)
где vε – среднее относительное увеличение объема материала породного мас-
сива.
Таким образом, критерий (3) оценивает устойчивость выработки с учетом
возможности вспучивания почвы. При Ку = 1 выработка находится в критиче-
ском состоянии с точки зрения потери устойчивости почвы, при Ку < 1 про-
изойдет потеря устойчивости почвы выработки (вспучивание). Чем выше вели-
чина Ку, тем в более устойчивом состоянии находится выработка.
В ходе обработки и анализа результатов численного эксперимента произво-
дилось сравнение величин Lr , вычисленных по координатам узлов элементов,
входящих в зону разрыхления и находящихся на ее внешней границе, и опреде-
ленных по графику зависимости (рис. 2) [4]
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
H
kRfr cc
L γ
где
H
kR cc
γ
– показатель условий разработки; γ – объемный вес пород; Н – глу-
бина заложения выработки; cR – предел прочности на сжатие материала масси-
ва; ck – коэффициент структурно-механического ослабления массива, вычис-
ляемый по формуле (1) с учетом (2).
Далее сравнивались величины коэффициента устойчивости Ку, вычисленные
по аналитическим и численным значениям Lr .
При этом величина *
Lr определялась по формуле, полученной из (4) [4]:
( ) 4,0* 1 −
+= vLr ε ,
где
( ) ⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−= 22
2
*
1
ln212
L
LL
vv
r
rrεε ,
где *
vε – максимальное относительное увеличение объема, а значение Lr опре-
делялось по рис. 2.
46
Результаты сравнительного анализа численных и аналитических расчетов
сведены в таблицу 1.
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Lr
H
kR cc
γ
Рис. 2 – Зависимость величины Lr от величины показателя условий разработки
H
kR cc
γ
Таблица 1 – Результаты сравнительного анализа аналитических и численных результатов
Lr KуУча-
сток расчетн. экспе-
рим. Δ , %
*
Lr по рас-
четн.
по экспе-
рим. Δ , %
I 2,98 3,28 10,1 2,84 0,95 0,87 8,4
II 1,58 1,60 1,3 3,25 2,06 2,03 1,5
III 1,74 1,73 0,6 3,10 1,78 1,79 0,6
IV 2,04 2,14 14,0 2,74 1,34 1,28 4,5
47
Как видно из таблицы, наблюдается хорошая сходимость результатов ана-
литического и численного решения.
Коэффициент устойчивости на каждом из исследуемых участков принимает
различные численные значения. На участке I величина óK имеет наименьшее
значение, причем меньше единицы, т.е. на этом участке следует ожидать пуче-
ние почвы, а общая устойчивость выработки будет наихудшей из четырех рас-
сматриваемых геомеханических ситуаций.
На участке II, напротив, значение óK принимает наибольшее значение, что
свидетельствует о наилучшей из 4-х случаев общей устойчивости выработки,
пучения на этом участке не предвидится ( óK >> 1). Хотя на участках III и IV,
занимающих промежуточное положение, пучения не ожидается ( óK > 1), об-
щая устойчивость участков различна: судя по величинам óK , на участке IV ве-
роятно значительное давление на крепь со стороны ослабленной зоны, что не-
гативно сказывается на состоянии выработки ( óK ближе к 1); на участке III
также ожидается усиление горного давления, хотя и не такой интенсивности,
состояние выработки на этом участке будет насколько лучше по сравнению с
участком IV ( óK ближе к 2).
Последующее обследование выработки в ходе ее проведения показало, что
имеет место совпадение результатов компьютерного прогноза и реального со-
стояния выработки: в наилучшем состоянии находится начальный участок но-
вой трассы, в наихудшем – участок старой трассы, где наблюдалось вспучива-
ние почвы; на участке с флексурой имело место повышенное давление на
крепь, выражающееся в срабатывании замков на значительную величину; на
участке с рудой повышенное давление приводит к деформациям крепи. Пуче-
ние наблюдается только на одном участке – старой трассы.
Таким образом, использование компьютерного моделирования НДС масси-
ва, вмещающего протяженную выработку, позволяет прогнозировать ее состоя-
ние на каждом из участков, в пределах которых массив обладает структурными
и текстурными особенностями, при этом величина коэффициента óK выступает
критерием, позволяющим оценивать общую устойчивость выработки с учетом
упругопластической устойчивости почвы.
Комплексная методика оценки устойчивости протяженных выработок на
основе компьютерных моделей в силу общего характера применима в любых
горно-геологических условиях для любых выработок, как в угольных шахтах,
так и в рудных. На основании результатов компьютерного моделирования воз-
можна разработка рекомендаций по выбору типа, параметров крепи и конфигу-
рации выработки, направленных на снижение эксплуатационных затрат при об-
служивании выработки.
Так, например, компьютерный прогноз состояния выработки совместно с
геофизическим обследованием и системой специальных экспертных оценок
применен для выбора и обоснования мероприятий по обеспечению длительной
48
устойчивости дренажного квершлага гор. 708 м шахты «Красноармейская – За-
падная №1», подверженного вывалам, значительным деформациям крепи и
сильному пучению.
Компьютерное моделирование геомеханических ситуаций в подготовитель-
ных выработках нашло применение на ряде шахт ГП «Добропольеуголь»: на
шахте «Добропольская» – при разработке мероприятий по проведению и под-
держанию выработок вблизи геологических нарушений; на шахтах «Белозер-
ская» и «Новодонецкая» – при разработке мероприятий по обеспечению дли-
тельной устойчивости протяженных выработок в условиях сильно пучащих по-
род почвы; на шахте «Алмазная» – при обосновании параметров анкерного
крепления наклонных капитальных выработок.
Таким образом, компьютерная оценка устойчивости должна стать неотъемле-
мой частью научно обоснованной методики проектирования протяженных выра-
боток, имеющих длительный срок эксплуатации и проводимых в сложных горно-
геологических условиях. Применение такой методики уже на стадии проектиро-
вания позволит при эксплуатации выработок значительно сократить расходы на
ремонтные работы, и подрывку почвы, снизить металлоемкость крепи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок.– Киев: Науко-
ва думка, 1989.– 192 с.
2. Шашенко А.Н., Гапеев С.Н., Янко В.И. Численное моделирование процесса потери упругопластической
устойчивости породного массива в окрестности одиночной выработки // Сб. науч. тр. НГУ.– Днепропетровск:
РИК НГУ, 2002.– №15, том 1.– С.29-34.
3. Гапеев С.Н., Лозовский С.П., Рязанцев А.П. Компьютерное моделирование процесса пучения пород поч-
вы в подготовительных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень.– М.: Изд-во МГГУ,
2003.– №10.– С.99-101.
4. Шашенко А.Н., Тулуб С.Б., Сдвижкова Е.А. Некоторые задачи статистической геомеханики.– К.: Універ.
вид-во «Пульсари», 2002.– 304с.
5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.– М.: Наука, 1967.– 576с.
6. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Н. В. Мельникова, В. В. Ржевского,
М. М, Протодьяконова.– М.: Недра, 1975.– 279c.
7. Шашенко А.Н. Упругопластическая задача для структурно-неоднородного массива, ослабленного круг-
лой выработкой // Прикладная механика. – 1989. – №6. – С. 48-54.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87302 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:11:53Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шашенко, А.Н. Кужель, С.В. Гапеев, С.Н. 2015-10-17T08:08:16Z 2015-10-17T08:08:16Z 2004 Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок / А.Н. Шашенко, С.В. Кужель, С.Н. Гапеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 42-48. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87302 622.02.001.57:539.373 В статті наведено результати використання комп'ютерного моделювання як частини комплексної методики оцінки стійкості протяжної виробки, яка споруджена у складних гірничогеологічних умовах. Зазначено, що така оцінка стійкості повинна стати невід’ємною частиною науково обґрунтованої методики проектування протяжних виробок, які мають довготривалий термін експлуатації та збудовані у складних гірничо-геологічних умовах In paper the results of application of computer simulation as part of a complex technique of an estimation of stability of extended working, built in complicated mining geological conditions are described. It is underlined, that such estimation of stability should become the integral part of the scientifically justified technique of projection of extended developments having a long term of maintenance and difficult mining geological conditions. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок Outcomes of application of a technique of computer estimation of stability of extended working Article published earlier |
| spellingShingle | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок Шашенко, А.Н. Кужель, С.В. Гапеев, С.Н. |
| title | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| title_alt | Outcomes of application of a technique of computer estimation of stability of extended working |
| title_full | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| title_fullStr | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| title_full_unstemmed | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| title_short | Результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| title_sort | результаты применения методики компьютерной оценки устойчивости протяженных выработок |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87302 |
| work_keys_str_mv | AT šašenkoan rezulʹtatyprimeneniâmetodikikompʹûternoiocenkiustoičivostiprotâžennyhvyrabotok AT kuželʹsv rezulʹtatyprimeneniâmetodikikompʹûternoiocenkiustoičivostiprotâžennyhvyrabotok AT gapeevsn rezulʹtatyprimeneniâmetodikikompʹûternoiocenkiustoičivostiprotâžennyhvyrabotok AT šašenkoan outcomesofapplicationofatechniqueofcomputerestimationofstabilityofextendedworking AT kuželʹsv outcomesofapplicationofatechniqueofcomputerestimationofstabilityofextendedworking AT gapeevsn outcomesofapplicationofatechniqueofcomputerestimationofstabilityofextendedworking |