CC BY
46
2000"
СЕМИНАР 18
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 1 МОСКВА,..МГГУ,..31.января - 4 февраля.2000.года.
■
^ Б.М. Усаченко, Т.А. Паламарчук, Е.А. Слащева, 2000
УДК 622:531
Б.М. Усаченко, Т.А. Паламарчук, Е.А. Слащева
ИССЛЕДОВАНИЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ
ГОРНЫХ ПОРОД
Синергетические процессы - это процессы самоорганизации, т.е.
самопроизвольного возникновения, относительно
устойчивого существования и
саморазрушения макроскопических упорядоченных структур, имеющие место в открытых нелинейных (диссипативных) системах, к
которым, безусловно, относятся и геомеханические системы. Следует отметить, что диссипация - это необходимый процесс,
способствующий выстраиванию регулярной структуры в нелинейной открытой среде. Хаос конструктивен в самой своей разрушительности, он строит структуру, убирая все лишнее. В открытых нелинейных системах малое воздействие, флуктуация, случайность могут приводить к существенным результатам [1].
В этой связи, управляющее воздействие процессами развития нелинейной системы может быть эффективным только тогда, когда оно согласовано с внутренними свойствами системы, т.е. является резонансным. Общей теорией структур в неравновесных средах является теория нелинейных колебаний и волн, которая является основой для самоорганизующихся процессов.
Как показали многочисленные наблюдения, большинство процессов, протекающих в геосистемах, имеют затухающий волнообразный характер. Величина горного давления вокруг выработок изменяется волнообразно
во времени и пространстве; при
отсутствии возмущающих
воздействий со временем затухает. Отработка угольных пластов сопровождается перемещением волны горного давления, причем повышенным концентрациям
напряжений предшествуют зоны разгрузок. Массив горных пород весьма восприимчив к приложенным нагрузкам. Установлены годичные и суточные изменения напряжений под воздействием приливных сил и температурных напряжений. В этом плане сразу же получают объяснение неоднократно наблюдаемые одно-, двух- и трехгорбые зоны вокруг выработанного пространства и одиночных выработок.
Исследования состояния пород приконтурной зоны ствола и его сопряжения с горизонтом угольных шахт Донбасса электрометрическим методом также подтвердили наличие чередования зон. При этом ближняя зона нарушенных пород вблизи ствола находится в пределах 0-0,6 м, за ней прослеживается более уплотненная зона 0,6-1,0 м (удельное электрическое сопротивление рк уменьшилось в 1,7 раза), а затем -вторая зона трещиноватости (1-1,4 м). Соответственно
распределению напряжений вокруг магистральных и очистных выработок, скважин и прочих нарушений распределяются и
Рис. 1. Характер деформирования углепородного массива вблизи выработки
зоны трещиноватости в породном и угольном массивах.
Установлено, что
деформационные процессы предельно напряженных пород вокруг выработки связаны с разрушением, отрывными явлениями и
образованием разнопрочных
породных зон. В боках выработки образуются упорядоченные зоны из разрушенных пород с
магистральными трещинами и заключенными между ними
относительно ненарушенными
породами. Аналогичный характер деформирования происходит и в кровле пласта, что является одним из проявлений синергетических
эффектов, происходящих в породном массиве вблизи различных геомеханических структур.
При анализе литологического состава вмещающих пород, разрабатываемых шахтопластов, которым в значительной мере определяется устойчивость горных выработок, был обработан материал по 553 углеразведочным скважинам Павлоградско-Петропавловского района Западного Донбасса, рис. 1 [2].
Установлено, что с удалением от угольного пласта распределение пород по литологическому составу изменяется по гармоническому закону с периодом, кратным двум слоям. При этом характер изменения
распределения алевролитов и песчаников имеет синхронную периодичность, их максимальное значение приурочено к четным слоям, а у аргиллитов - оно изменяется в противофазе, т.е. максимальное
значение достигается на нечетных слоях. Кривые послойного
распределения литотипов являются затухающими, величина максимума распределения вероятностей
составляет 1,65; 1,20 и 1,15
соответственно для аргиллитов, алевролитов и песчаников.
Закономерность распределения
мощности слоев пород также имеет
Рис. 2. Эпюра главных сжимающих напряжений
периодический характер
синусоидального типа. Причем кривые слоев мощностью 1-2 м, 2-4 м и более 4 м изменяются синхронно (максимумы на четных слоях), а кривая слоя мощностью менее 1 м - в противофазе им (максимум на нечетных слоях) и с затуханием при удалении от пласта. Это означает, что в условиях Донбасса
непосредственная почва пласта (первые три слоя) сложена маломощными пластами, менее 1 м, а с удалением от угольного пласта, начиная с четвертого слоя, происходит выравнивание
соотношения их по мощности [1, 2]. Для количественного описания изменчивости использован аппарат математической статистики и методы математического моделирования:
аналитические и численные. Хорошо зарекомендовал себя метод построения поверхности закономерности с помощью полиномов различных степеней, которыми этом
проведена аппроксимация экспериментальных кривых, описывающих изменение геофизических параметров от контура выработки в глубь угольного массива.
Затухающий характер полученных зависимостей наблюдается вследствие того, что горный массив - это селективная поглощающая среда.
С целью выяснения физической природы синергетических процессов разработана универсальная расчетная схема слоистой структуры, которая разбита на 844 треугольных элемента с асимметричным сгущением сетки в местах предполагаемых высоких уровней напряжений и деформаций. Проведены исследования
напряженно-деформирован-ного состояния элементов камерно-
столбовой системы разработки гипсовых пластов, залегающих в слабых водонасыщенных горных породах, при различных величинах заданных напряжений и прочностных параметров, изменяющихся
аналогично реальным слоистым
структурам. Ужесточением условий нагружения и снижением
прочностных показателей
математическая модель исследуемых конструкций доводилась до полного разрушения, что позволяет выполнить прогноз развития зоны неупругих деформаций во времени и учесть потерю прочности пород от развития фильтрационных и реологических процессов. Расчетная модель позволяет задать заранее параметры крупных тектонических нарушений, а параметры развивающейся трещиноватости исследуются
последовательно при переходе от модели предыдущей стадии нагружения через фиксацию разрушения к последующему нагружению.
Решение проведено методом конечных элементов (МКЭ) в упругопластической постановке с учетом запредельного
деформирования по алгоритму программного комплекса
«Геомеханика» [3]. На рис. 2 представлена эпюра главных
сжимающих напряжений в целике. Картирование данных расчета выполнено с помощью стандартного программного комплекса. Как видно из рисунка, в целике подобно образцу при одноосном сжатии образуется «конус» разрушения, который
формируется чередующимися
областями продольного сжатия, что в конечном итоге приведет к разрушению и вертикальному отслоению части пород и их отрыву.
Таким образом, природное осадконакопление и хаотическое случайное разрушение в условиях запредельного деформирования упругопластических материалов в упорядоченной слоистой структуре автоматически приводит к возникновению синергетически упорядоченных зон разрушения.
1. Синергетические эффекты и волновая природа геомеханических процессов в углепородном массиве/ Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, Т.А. Паламрчук, В.В. Левит// XXI столетие -проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых. - Днепропетровск: НГАУ, 1998. - №3. - Т.3. - С. 58-61.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Усаченко БМ., Кириченко В.Я., Шмыголь А.В. Охрана подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт Западного Донбасса. - М.: ЦНИЭИуголь, 1992. - 168 с.
3. ФадеевА.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.
. /—;-------------------------------------------------------------------------7
Усаченко Борис Миронович академик Академии іорні.іх наук Украины, докіор технических наук, профессор, зав. отделом механики горных пород Института геотехнической механики Национальной академии наук Украины
Паламарчук Татьяна Андреевна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института геотехнической механики Национальной академии наук Украины Слащева Елена Анатольевна — аспирантка Института геотехнической механики
Няционяльной академии няук Укряины
КНИГИ ИЗДАТЕЛЬСТВА МГГУ
Вниманию геологов, угольщиков, работников науки
и учебных заведений
МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВАЯ БАЗА УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ
-А/-"
(тенденции развития, потребность России в углях, конкурентоспособность);
• достаточно полно освещаются минерально-сырьевая база сланцев и проблемы промысловой добычи метана из угольных пластов;
• обосновывается прогноз развития добычи угля до 2010 г. и приводятся основные направления геологоразведочных работ;
• подробно приводится информация по регионам и бассейнам, а также важнейшие геолого-технологические данные.
«Минерально-сырьевая база угольной промышленности России» — книга уникальная. В ней практически впервые отражена связь между минерально-сырьевым потенциалом и технико-технологическими возможностями угольной промышленности.
Предисловие к книге написано Министром топлива и энергетики Российской Федерации С.В. Генераловым.
Книга представляет несомненный интерес для тех, кто занят решением проблем развития топливно-энергетического комплекса, ученых и практиков угольной и геологических отраслей, специалистов бизнеса и прогнозирования, руководителей региональных органов управления, высших учебных заведений.
Стоимость двух томов с учетом расходов по пересылке на территории России - 1000 руб.
Банковские реквизиты:
ИНН 7706031363,«Издательство МГГУ», ОСБ 7813 Донское, Московский банк Сбербанка РФ, г. Москва, БИК 044525342, р/сч. № 40702810538110100521, корр. сч. № 30101810600000000342 Заявки принимаются по адресу:
117935, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6, Издательство МГГУ.
Тел. (095) 236-97-80, факс (095) 956-90-40
