CC BY
33
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Б.В. Власенко, 2001
УДК 622.831
Б.В. Власенко
Д
КОМПЬЮТЕРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОАНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
[1]. По данным шахтных инструментальных наблюдений за сдвижениями боковых пород в окрестности очистных выработок при отработке пластов установлено, что смещения пород кровли происходят в результате подвиганий очистного забоя при выемке угля и временных процессов в породах.
Схемы формирования очистного пространства выработок, представленные на рис. 1, показывают однотипность в развитии для разнообразных форм выработок. Основным элементом развития является движение забоя вдоль линии фронта. Наиболее общей формой очистного пространства можно считать трапециевидную (рис. 1, Ь), из которой частным случаем, получаются выработки прямоугольной (рис. 1, а), треугольной (рис. 1, с) и другой формы, в том числе с косоугольной линией очистного фронта. Комбинацией таких форм можно представить формирование очистного пространства сложного вида, например, с ломаной линией фронта (рис. 1, с), а алгоритмы описания конфигураций полостей сложной формы с ломаной линией забоя при подземной отработке пласта достаточно простые.
В очистных выработках единичные подвигания забоя вызывают сдвижения точек кровли в его окрестности. Геометрическое место нормальных к пласту смещений точек
ля построения информационной геомеханической мониторинговой системы (Г мМС) применяется новая методология экспериментальноаналитического моделирования гео-механических (Гм) процессов при отработке угольных пластов [1].
Под экспериментально-аналитическим моделированием в горной геомеханике подразумевается использование при решении задач аналитическими методами в качестве граничных условий данных, а именно смещений боковых пород, замеренных экспериментально или рассчитанных по кратковременным измерениям в шахтных условиях. Такое синтезирование проводится на основе разработанной модели формирования смещений (опусканий) боковых пород кровли и экспериментально-аналитического метода определения изменений Гм-состояния массива горных пород в процессе отработки угольного пласта.
Теория кинематики массива горных пород
Смещения боковых пород при отработке пластов являются интегральной характеристикой геомеха-нического состояния массива и наиболее простым и информативным видом проявлений горного давления
границы кровли представляет собой поверхность приращений смещений от подвигания забоя (рис. 2, d, е).
В результате движения забоя вдоль линии фронта по полосе из поверхностей смещений от единичных подвиганий забоя образуется поверхность приращений смещений от отработки полосы и подвигания фронта работ. Поверхности смещений от подвиганий фронта, формирующих очистную выработку, образуют конечную поверхность смещений кровли от отработки выемочного участка. Поверхности приращений смещений и конечных смещений являются элементами сдвижений границы массива пород кровли.
Поверхности смещений от под-вигания забоя, которые можно определить как единичную поверхность смещений или элемент проявления горного давления (рис. 2, d, е), характеризуются параметрами: координатами положения, направлением и скоростью подвигания забоя; максимальной величиной смещений и расположением ее относительно забоя; степенью убывания смещений в окрестности забоя. Эти физические параметры используются для аналитического описания формирования смещений при отработке пласта, как с закладкой выработанного пространства, так и с обрушением. Аналитические формы, принятые для описания установленных закономерностей формирования смещений являются
достаточно общими для разнообразных (с точки зрения способов управления горным давлением) технологических схем отработки пластов и удобными для определений из результатов натурных наблюдений параметров и численных расчетов на ЭВМ.
Разработанный метод расчета формирования поверхностей смещений пород [3] является обобщением в описании и интерпретации результатов экспериментальных измерений смещений, наиболее часто используемых в исследованиях проявлений горного давления при отработке пластовых месторождений.
Метод расчета позволяет разработать способ (методику) моделирования смешений для различных технологических схем отработки (рис. 3). Принимая в качестве базовых приращения смещений от единичных подвиганий для известной схемы забоя, например при движении узкозахватного забоя (рис. 2, а,
Рис. 3. Расчетные схемы задач определения геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольных пластов различных технологиями:
(а - длинными лавами с целиком; Ь - сдвоенными длинными лавами с непрямолинейными линиями фронта; с, d - короткими камерами с проведением паралельных (прямоугольных и косоугольных) камер (по В.Д. Ялевскому); е - короткими камерами (по В.Д. Ялевскому)
Ф, можно сконструировать элемент смещений от единичного подвига-ния забоя с заданными параметрами, например, широкозахватного забоя (рис. 2, Ь, с, е), и проводить расчеты поверхностей смещений для проектируемых традиционных и новых технологических схем отработки (рис. 3). На рис. 4, Ь, с, 4 рис. 5, а, с, е показаны результаты компьютерного моделирования смещений кровли при отработке угольных
пластов традиционными и новыми технологическими схемами. Экспериментально - аналитический метод исследований
Процессы изменений геомехани-ческого состояния массива горных пород при подземной разработке месторождений могут быть исследованы не только разнообразными методами или комплексом методов, но и с помощью экспериментальноаналитического метода, т.е. исследований аналитическими методами
с использованием экспериментальных данных [1, 2]. Выполнены аналитические решения задач механики горных пород с использованием в качестве граничных условий результатов экспериментальных измерений или расчетных значений смещений боковых пород. Преимущества такого подхода в исследованиях состоит в использовании реальных проявлений геомеханических состояний конкретных горнотехнических условий и возможностях преодоления трудностей решения пространственных задач. На основе сформулированной постановки при граничных условиях в виде заданных поверхностей смещений, полученных экспериментально или расчетным путем, методами механики твердого деформируемого тела получены общие решения пространственной задачи о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород в окрестности очистной выработки [1, 2].
Разработан новый метод горной геомеханики - метод компьютерного экспериментальноаналитического моделирования геомеханического состояния массива горных пород при отработке угольного пласта [1, 2, 3].
Метод, алгоритмы и программы расчетов позволяют отобразить пространственную расчетную схему задачи для любых технологических схем отработки и динамику развития очистных работ с помощью элементов подвиганий забоя и фронта работ; автоматизировать как построение расчетной
схемы задачи (рис. 1, 2, а-с, 3, 4, а), так и расчет пространственного на-пряженно-деформи-рованного состояния массива
горных пород и обработку результатов расчета; визуально представить с помощью стандартных программ машинной графики полу-
Рис. 5. Картины поверхностей смещений W, мм (а, с, е) и концентраций нормальных к пласту напряжений (ст/уИ) (Ь, d) для технологических схем отработки угольных пластов длинными лавы с целиком (а. Ь) и короткими камерами с проведением параллельных (прямоугольных (с, d) и косоугольных (е) камер
ченные результаты в виде пространственных картин (рис. 2, ^ е, рис. 4, Ь, е), карт (рис. 5) изолиний и эпюр (рис. 4, с, 1) поверхностей смещений и напряжений, временных графиков (рис. 4, 4 g) изменений смещений и напряжений в процессе отработки пласт. Эти преимущества разработанного компьютерного метода моделирования пока что не удалось реализовать в горной геомеханике ни при моделировании аналитическими методами (например, методом граничных интегральных уравнений (ГИУ), методом конечных элементов
(МКЭ) и др.), ни при физическом моделировании (например, с помощью эквивалентных или фото-упругих материалов).
Проведено компьютерное экспериментально-аналитический моделирования геомеханических процессов и прогнозные расчеты геомеханической обстановки на выемочных участках для сложных технологических схем отработки
Рис. 4. Расчетная схема (а) задачи и геомеханическое состояние массива горных пород при отработке угольных пластов короткими камерами с проведением паралельных камер: Ь, е - поверхности; с, 1 - эпюры; 4 g - графики смещений ^, мм) и концентраций нормальных к пласту напряжений (ст/уН)
угольных пластов: пространственной системы взаимо-влияющих подготовительных и очистных выработок; узкозахватного и широкозахватного, прямолинейной и непрямолинейной формы фронта очистного забоя. Результаты моделирования представлены графически картинами пространственного вида, картами изолиний уровней поверхностей, графиками временного развития компонент напряжений и смещений в массиве горных пород. Выполнены геомехани-ческие оценки и обоснования новых технологических схем отработки угольных пластов и ресурсосберегающей технологии анкерного крепления горных выработок на шахтах Кузбасса.
Проведенные расчеты на-пряженно-деформирован-ных состояний массива горных пород в окрестности систем горных выработок в угольном пласте при прямолинейной и непрямолинейной формах
фронта забоев, существенно пространственных схемах
выработок сложной конфигурации, позволило приступить к созданию каталога геоме-ханической состояний и обстановки для основных элементов новых и традиционных технологических схем отработки угольных пластов. Применение теории кинематики, экспериментальноаналитических методов определения геомеханического состояния и географических информационных систем позволяют разработать систему динамического компьютерного моделирования геомеханических процессов в массиве пород.
Динамическое компьютерное моделирования геомеханиче-ских процессов в информационной мониторинговой системе угольной шахты предназначено для расчетов геомеханиче-
ской обстановки на выемочных участках как в процессе планирования и подготовки, так и при ведении горных работ, т.е. осуществлять долгосрочное прогно-
зирование, оперативный контроль и краткосрочный прогноз проявлений горного давления. Такая мониторинговая система может использоваться как базо-
вая часть системы принятия научно обоснованных технических и технологических решений при отработке пласта.
1. Власенко Б.В. Разработка методов прогнозирования проявлений горного давления для геомеханического мониторинга на угольных шахтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово, 1993. - 39 с.
2. Власенко Б.В. Экспериментально - аналитическое моделирование пространственной геомеханической обстановки при мониторинге на угольных шахтах. Proceedings of the 12th Inter-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -^=^=
Со
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
national Conference on Autom in Mining, GliwicePoland, 1315.09.1995. pp.75 - 80.
3. Jalevsky V.D., Vlasenko B.V. Geomechanical evalution of method for long room mining of coal seams. APCOM'98. 27-th International Symposium on Computer Applications in the Miniral Industries. Papers presented at the 'APCOM'98' conferens, organized by the Institution of Mining and Metallyrgy and help in London, United Kingdom from 19 to 23 April, 1998: pp. 429-440.
Власенко Б.В. — Московский государственный горный университет.
