Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование параметров объемного предельно-напряженного состояния углепородного массива при подземной отработке свиты пластов
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование параметров объемного предельно-напряженного состояния углепородного массива при подземной отработке свиты пластов"
На правах рукописи
Павлова Лариса Дмитриевна
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕМНОГО ПРЕДЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ ПЛАСТОВ
Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Кемерово- 2007
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Фрянов Виктор Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Васильевич
доктор технических наук
Мустафин Мурат Газизович
доктор технических наук, профессор Серяков Виктор Михайлович
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»
Защита состоится 20 февраля 2007г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.036.01 в Институте угля и углехимии СО РАН по адресу: 650610, г. Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21. Факс: (3842) 21-14-00. E-mail: goericke@kemsc.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.
Автореферат разослан 19 января 2007г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук
В.Т. Преслер
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Подземная разработка угольных месторождений приводит к нарушению геомеханического равновесия горного массива в пределах шахтных полей одного или группы соседних угледобывающих предприятий, сдвижению и разрушению горных пород. Поэтому на стадии разработки проектной документации и освоения угольного месторождения необходимо прогнозировать геомеханическое состояние массива горных пород в целях обеспечения промышленной безопасности в угледобывающих регионах.
Существующие нормативные документы и методы обоснования параметров геомеханического состояния углепородного массива при проведении горных выработок базируются, как правило, на результатах натурных наблюдений и эмпирических зависимостях, полученных по этим наблюдениям в 80-е годы прошлого столетия, т.е. при нагрузке на очистной забой до 1200т/сутки и длине лавы 80-120м, что не соответствует основным параметрам современной интенсивной технологии угледобычи, характеризующейся среднесуточной нагрузкой на очистной забой 3000-8000т и длиной лавы 250-350м. Представительные результаты натурных исследований геомеханических процессов при отработке свиты угольных пластов по интенсивным технологиям также отсутствуют.
Одним из направлений обоснования геомеханических параметров .технологии интенсивной угледобычи является математическое моделирование процессов деформирования и разрушения углепородного массива. Область применения известных аналитических методов расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива, как правило, ограничена простейшими расчетными схемами для идеализированных однородных упругих или упругопластических сред. Нерешенными остаются трехмерные задачи геомеханики структурно-неоднородных сред при техногенном воздействии системы очистных и подготовительных выработок.
Недостаточная надежность критериев оценки степени нарушенное™ пород в окрестности системы горных выработок по существующим методикам подтверждается высоким уровнем (до 18%) аварийных ситуаций на шахтах вследствие влияния геомеханических факторов. Современные средства вычислительной техники и комплексы программ математического моделирования процессов нелинейного деформирования горных пород создают необходимые условия для разработки нетрадиционных методик прогноза их устойчивости в подземных выработках.
В связи с этим актуальным является решение научной проблемы установления закономерностей распределения параметров объемного предельно-напряженного состояния слоистого массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной технологии подземной разработки свиты пологих или наклонных пластов, имеющей важное значение в угольной отрасли.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой про1раммы «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Ал-тае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии», государственный контракт № Э0123, №ГР 01200302559; задания Министерства образования РФ - «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объемного напряженного состояния при комплексном воздействии на горный массив механических ин-денторов и гидравлических струй», государственный контракт № 38-6, заказ-наряд №12, №ГР 01200117892; федеральной целевой научно-технической программы - «Разработка теории миграции флюидов в неоднородном массиве под влиянием переменных механических напряжений и температуры» №СибГИУ 1.3.04, №ГР 01200409401.
Целью работы является обоснование параметров объемного предельно-напряженного состояния массива горных пород для геомеханического обеспечения систем разработки длинными столбами свиты пологих или наклонных угольных пластов шахт.
Идея работы заключается в том, что распределение во времени параметров объемного напряженно-деформированного состояния определяется движением очистного забоя, в результате которого в углепородном массиве накапливаются повреждения, приводящие к циклическому обрушению подработанных пород кровли.
Задачи исследований:
1. Разработать метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород с учетом размеров объектов систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов.
2. Обосновать критерий выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород в условиях объемного напряженного состояния углепородного массива при техногенном воздействии системы подземных выработок.
3. Установить закономерность изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте при движении очистного забоя и последовательном накоплении повреждений пород.
4. Исследовать влияние угла падения угольного пласта на характер распределения смещений пород кровли и почвы в окрестности очистного забоя при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию.
5. Установить оптимальный по геомеханическим условиям порядок бесцеликовой отработки панели длинными выемочными столбами по простиранию наклонного угольного пласта.
6. Установить закономерности распределения параметров напряженно-деформированного состояния в угольном ленточном целике между выработанными пространствами соседних выемочных столбов и вмещающих целик горных породах.
7. Исследовать влияние уступа краевой части наклонного угольного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию, на напряженное состояние надрабатываемого пласта.
8. Создать методику расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов интенсивными технологиями.
Методы исследований: методы механики деформируемых сплошных сред для физико-математического моделирования геомеханических процессов в углепородном массиве; методы аналитической геометрии в пространстве для разработки алгоритма трехмерной дискретизации геомеханической модели горного массива; метод конечных элементов для численного решения дифференциальных уравнений механики сплошной среды, методы объектно-ориентированного программирования для создания пакета программ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• кратность размеров конечных элементов размерам объектов систем разработки достигается последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника при трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, вмещающего свиту пологих или наклонных угольных пластов;
• границы зон поврежденных и разрушенных пород определяются на основе коэффициента остаточной прочности, вычисляемого как отношение предельных октаэдрических касательных напряжений на паспорте прочности в области сжатия или нормальных - в области растяжения к соответствующим октаэдрическим напряжениям в углепородном массиве, вмещающем систему горных выработок;
• последовательное накопление повреждений горных пород, с учетом изменения во времени их прочностных и деформационных свойств, приводит к периодическому обрушению пород кровли и циклическому изменению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя;
• вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по линии падения угольного пласта при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию, а величины горизонтальных смещений возрастают в 2-3 раза по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта;
• нисходящий порядок бесцеликовой отработки длинных выемочных столбов в панели по простиранию является более безопасным по геомеханическим условиям, так как при восходящем порядке разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком больше в 15-20 раз;
• коэффициент концентрации вертикальных напряжений в устойчивом угольном целике уменьшается на 16-25% в краевой части целика и на 7-13% в его середине при увеличении угла падения наклонного пласта, а в кровле целика возникает зона пониженных горизонтальных напряжений, размеры которой возрастают пропорционально площади выработанного пространства;
• уступная форма краевой части наклонного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию, приводит к формированию в надрабаты-ваемом пласте концентраторов напряжений под уступом верхнего пласта, а граница зоны полной разгрузки углепородного массива по горизонтальным напряжениям смещается от уступа в сторону выработанного пространства;
• геомеханические параметры систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов, с учетом пространственно-временного изменения положения системы выработок, устанавливаются по результатам комплексных расчетов, с использованием разработанного пакета компьютерных программ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций гарантируется корректным использованием уравнений механики сплошной среды, численного метода конечных элементов, обобщенного критерия прочности Кулона-Мизеса; обеспечивается представительным объемом численных экспериментов (более 300); подтверждается удовлетворительным соответствием результатов численного моделирования и экспериментальных данных разрушения горных пород (отклонение не превышает 18%).
Научная новизна работы:
• разработан метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, отличающийся последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки;
• обоснован критерий выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение предельных октаэдрических напряжений на паспорте прочности в областях сжатия или растяжения соответственно к касательным или нормальным напряжениям в зоне влияния горных выработок;
• установлено циклическое изменение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы в процессе последовательного накопления повреждений и периодического обрушения пород кровли при движении очистного забоя;
• установлено, что вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по падению пласта независимо от порядка отработки длинного наклонного угольного столба по падению или восстанию;
• установлена максимальная разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком при бесцеликовой отработке в восходящем порядке длинных выемочных столбов в панели по простиранию по сравнению с нисходящим порядком;
• выявлено наличие зоны пониженных горизонтальных напряжений над ленточным угольным целиком в породах кровли на высоте, близкой к ширине целика, размеры зоны увеличиваются пропорционально площади выработанного пространства;
• выявлено наличие в надрабатываемом пласте локальных участков повышенных сжимающих нормальных напряжений под уступом верхнего наклонного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию;
• разработан пакет компьютерных программ для расчета параметров объемного напряженно-деформированного состояния разрушаемого углепо-родного массива, отличающийся высокой адаптивностью к форме и размерам сложных горнотехнических объектов, включающих систему горных выработок, положение которых изменяется во времени и пространстве.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов на формирование объемного предельно-напряженного состояния массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной отработки свиты пологих или наклонных угольных пластов системой подземных выработок.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика расчета геомеханических параметров систем разработки по интенсивным технологиям свиты пологих или наклонных угольных пластов позволяет определять в широком диапазоне варьирования горно-геологических и горнотехнических факторов: ширину устойчивого угольного целика; параметры зон опорного горного давления; границы зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах; границы опасных зон, возникающих под влиянием ленточных угольных целиков и уступов краевых частей на сближенных пластах; минимальные безопасные расстояния от очистного забоя до границ опасных зон; нагрузки на механизированную крепь.
Личный вклад автора состоит:
• в разработке метода трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород с последовательным выделением вложенных подобластей для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки;
• в обосновании критерия выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение предельных и расчетных октаэдрических напряжений;
• в установлении влияния последовательного накопления повреждений горных пород на периодическое обрушение пород кровли и цикличность изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя;
• в определении направления вектора горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя при отработке длинного наклонного угольного столба по падению или восстанию пласта;
• в обосновании более безопасного по геомеханическим условиям нисходящего порядка бесцеликовой отработки в панели длинных выемочных столбов по простиранию наклонного пласта;
• в установлении пропорциональной зависимости размеров зон пониженных горизонтальных напряжений над ленточным угольным целиком от площади выработанного пространства;
• в выявлении концентраторов нормальных сжимающих напряжений в надрабатываемом пласте под уступом краевой части верхнего отрабатываемого пласта;
• в создании пакета компьютерных программ и разработке на его основе методики расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов интенсивными технологиями.
Реализация работы. Разработанный пакет компьютерных программ зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий (свидетельства об отраслевой регистрации разработки № 2673, № 6605). Научно-учебный комплекс «Геомеханика», награжденный Дипломом I степени на XI Международной специализированной ярмарке «Уголь России и Майнинг 2004», используется в научно-исследовательских работах магистрантов и аспирантов СибГИУ. Методика расчета геомеханических параметров слоистого углепородного массива в окрестности подготовительных горных выработок награждена серебряной медалью на XIII Международной выставке «Уголь России и Майнинг 2006». Разработанные на основе результатов моделирования рекомендации по пространственно-временному расположению системы горных выработок включены в проекты строительства и реконструкции шахт «Ульяновская», «Юбилейная», «Ерунаковская VIII» ОАО «УК «Южкузбассуголь», ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс», ОАО «Шахта «Зиминка» ООО «УК «Прокопьевскуголь».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 1999г.), «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1999-2000гт.), «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1999-2005гг.),
«Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2001-2005гг.), «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2003г., 2005г.), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово 2004г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2004-2005ГГ.), Российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (Кемерово, 2006г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 44 печатных работах, включая 2 монографии, 2 авторских свидетельства, 40 научных статей, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 19 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложена на 306 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 120 рисунков, список литературы из 249 наименований.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цель и задачи исследований, выбраны методы, обоснованы научные положения, научная новизна и личный вклад автора, отмечена практическая ценность, реализация и апробация работы.
В первом разделе проводится анализ методов и средств исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород при подземной разработке угольных месторождений. Большой вклад в решение научных и технических задач, направленных на повышение эффективности и безопасности подземной угледобычи, внесли научные коллективы ВНИМИ, ИГД им. A.A. Скочинского, ИПКОН РАН, ИГД СО и УрО РАН, ИУУ СО РАН, ИГДС СО РАН, ГИ КНЦ РАН, МГГУ, С-ПбГГИ, ТулГУ, КузГТУ и др.
Аналитические методы решения задач горной геомеханики разработаны ведущими учеными К.А. Ардашевым, Н.С. Булычевым, Б.В. Власенко, Г.И. Грицко, Г.Н. Кузнецовым, C.B. Кузнецовым, М.В. Курленей, A.M. Линьковым, В.Е. Миренковым, В.Н. Опариным, И.М. Петуховым, К.В. Руппенейтом, В.Д. Слесаревым, Г.Л. Фисенко, Е.И. Шемякиным и др. Решение задач прикладной теории упругости и механики горных пород методом конечных элементов проводили Б.З. Амусин, Ж.С. Ержанов, O.K. Зенкевич, В.Ю. Изаксон, Ю.М. Либерман, Е.М. Морозов, М.Г. Мустафин, В.М Серяков, А.Б. Фадеев и др. Ими созданы научно-методические основы для изучения влияния горногеологических и горнотехнических факторов на геомеханическое состояние углепородного массива при подземной разработке угольных месторождений.
В связи с интенсификацией горного производства на современном этапе развития угольной отрасли требуется дальнейшее совершенствование существующих и создание новых методов и программных средств, обеспечивающих установление закономерностей распределения параметров объемного НДС
углепородного массива с учётом угла падения пласта, изменения прочностных и деформационных свойств породных слоев, скорости подвигания очистного забоя, величины и длительности приложения нагрузки.
Во втором разделе разработан метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород с учетом размеров объектов систем разработки, адаптирован метод конечных элементов (МКЭ) для расчёта параметров объемного НДС углепородного массива, вмещающего свиту пологих или наклонных пластов.
В третьем разделе обоснован критерий выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород слоистого горного массива по коэффициенту остаточной прочности, разработан метод последовательного накопления при движении очистного забоя, зависания и циклического обрушения пород кровли, в случае их перехода в запредельное состояние.
В четвертом разделе выполнена настройка параметров расчетной модели определения объемного НДС массива горных пород по результатам шахтных наблюдений.
В пятом разделе установлены закономерности распределения параметров объемного геомеханического состояния углепородного массива в широком диапазоне варьирования горно-геологических и горнотехнических факторов при отработке одиночного угольных пласта и свиты пластов.
В шестом разделе разработана методика расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов по интенсивным технологиям.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Кратность размеров конечных элементов размерам объектов систем разработки достигается последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника при трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, вмещающего свиту пологих или наклонных угольных пластов.
Для исследования геомеханических процессов в углепородном массиве при техногенном воздействии системы подземных выработок в качестве объекта исследования принята трансверсально-изотропная упруго-вязкая геомеханическая модель среды, в которой массив горных пород идеализируется следующим образом:
• по структурным признакам массив горных пород принимается слоистым с трансверсально-изотропным распределением механических характеристик пород (прочностных, деформационных, реологических); учитываются наклонное расположение слоев, форма и размеры подземных выработок;
• по геометрическим характеристикам массив горных пород, для аппроксимации непрерывной функции перемещения, идеализируется дискретной
моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе элементов;
• по механическим характеристикам горные породы считаются вязко-упругими; учитываются упругие мгновенные деформации, которые возникают в породах при нагружении в начальный момент, и деформации ползучести, развивающиеся во времени;
• область исследования в пределах массива горных пород считается ограниченной: сверху земной поверхностью, снизу высотой зоны надработки нижнего пласта свиты, по простиранию и падению пластов - максимальными размерами горных выработок; на всех ограничивающих поверхностях задаются граничные условия в виде нагрузок или смещений;
• силовые воздействия, распределенные по всему объему массива горных пород, рассматриваются как статические нагрузки, прикладываемые на внешних и внутренних границах области исследования.
Метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород основан на том, что область исследования представляется в декартовой системе координат в виде параллелепипеда или в цилиндрической -в виде цилиндра, разделенного по вертикальной оси параллельными слоями, имитирующими угольные пласты и породные слои с заданными физико-механическими свойствами. На нижнем и верхнем основаниях каждого породного слоя задаются точки разбиения на полярных радиусах Я или по координатным осям ОХ, ОУ. Координаты точек разбиения по оси ОЪ при горизонтальном залегании пласта вычисляются в зависимости от мощности породных слоев и глубины разработки. При наклонном залегании угольного пласта по заданным углам наклона в плоскостях Х02 или ЧОТ определяются коэффициенты уравнения плоскости и вычисляются вертикальные координаты точек разбиения на поверхности каждого слоя.
В пределах нижней и верхней границ породного слоя выделяются призматические элементы, которые разбиваются на тетраэдры по разработанным схемам. Полученные тетраэдры рассматриваются как конечные элементы с узлами, расположенными в вершинах.
Первоначально исходная область исследования ЬххЬу*Ь2 разбивается на конечные элементы заданного размера (1эх, 1эу, /эг):
1эх= Ьх / Их\ 1эу = Ьу/ Ыу; 1э2 = т, где Их, - количество точек разбиения по осям ОХ, ОУ соответственно; т - мощность угольного пласта или породного слоя, и проводится расчет с использованием стандартных процедур метода конечных элементов.
Затем выделяется подобласть Ь'ххЬ'ухЬ'2, которая аналогично разбивается на конечные элементы меньшего размера с учетом размеров объектов систем разработки (1ох, 1оу, 1о2):
1э'х = к 1ох; 1э'у-к 1оу, /э'2 = к 1ог,
и выполняется повторное решение. Значение коэффициента к, в соответствии с геомеханическими и технологическими параметрами объектов систем разработки, рекомендуется принимать из диапазона к = 0,05-Ю,30.
Узловые перемещения по кошуру подобласти, полученные при первом решении, используются как граничные условия при следующем решении. В промежуточных узлах на контуре подобласти, появившихся в результате ее разбиения на конечные элементы меньшего размера, перемещения по осям ОХ, ОУ, 02 вычисляются по методу источника:
и, =-; V, =-; IV, =-, (1)
ЪР} ЪР] ЪР}
где и,, V,, м, 0=1,п) — перемещения по осям ОХ, ОУ, ОХ в узлах исходной об-
2 2 2 2 ласти исследования; Р, = (1 / р,) ; р7 = - х,) + (у, - у,) + ^ - г,) ,
Хр ур Zj (/'=1 ,я) - исходные узловые координаты; у„ г, (/'=1 ,т) - промежуточные узловые координаты.
Для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки, описанная процедура может выполняться несколько раз, без увеличения количества элементов.
Рекомендуемые размеры конечных элементов устанавливаются с учетом диапазонов размеров объектов систем разработки, полученных на основе анализа производственного опыта и результатов шахтных измерений: для неразрушенной части угольного целика 0,05-Ю, 10 его ширины, зоны отжима, краевой части угольного целика или очистного забоя - 0,1-Ю,3 вынимаемой мощности пласта, зоны опорного горного давления - 0,1-Ю,2 ее ширины и т.д.
2. Границы зон поврежденных и разрушенных пород определяются на основе коэффициента остаточной прочности, вычисляемого как отношение предельных октаэдрических касательных напряжений на паспорте прочности в области сжатия или нормальных - в области растяжения к соответствующим октаэдрическим напряжениям в углепородном массиве, вмещающем систему горных выработок.
Так как в работе решается задача в трехмерной постановке и определяется полный тензор напряжений, то предлагается области сжатия и растяжения угля и пород в окрестности горной выработки выделять на основе нормальных октаэдрических напряжений (аос/): стос/>0 соответствует области сжатия, а <зос,<0 - области растяжения.
Предел прочности породы при объемном НДС можно вычислять на основе теории Кулона. Считая главные напряжения сть а2, аз равноправными, критериальные уравнения Кулона определяют в пространстве шесть плоскостей, которые образуют шестигранную пирамиду
ст, = 0С + о, /,у=1,2,3, О/), (2)
где ос- предел прочности пород при одноосном сжатии; ctgy - (1 + s/жр) / (1 -sirup), ф - угол внутреннего трения.
В области растяжения шестигранную пирамиду венчает трехгранная пирамида, сформированная тремя плоскостями
СГ| = Ор, /=1,2,3, (3)
где ар - предел прочности пород при растяжении (Ор<0).
В сечении шестигранной пирамиды плоскостью с^Ог, проходящую через ось стз и гидростатическую ось, углы наклона верхнего и нижнего ребер пирамиды pi и Рг определяются соответственно по формулам:
V~2 С ctgy Cctgy
tePi =-; tgp2 = —-, (4)
а с + С c/gcp V 2 (ac +С ctgy)
где С - сцепление породы.
Однако, в случае объемного напряженного состояния, для определения границ зоны поврежденных пород, т.е. нахождения элемента вне пирамиды Кулона, требуется шестикратная проверка главных трех напряжений в зоне сжатия и трехкратная - в зоне растяжения для каждого конечного элемента. Поэтому в настоящей работе предлагается аппроксимировать шестигранную пирамиду Кулона конусом. Критерий подобного вида является обобщенным критерием Кулона-Мизеса.
Для конуса, вершина которого совпадает с вершиной шестигранной пирамиды Кулона и углы раскрытия по координатным осям равны углам раскрытия пирамиды (4), обобщенный критерий Кулона-Мизеса будет иметь вид: Pw, = (С ctg<p + aocl) tg[n /4 - (Р, + р2)/2]; и^ос/ = Ор. (5)
Тогда коэффициент остаточной прочности породы в каждом конечном элементе определяется на основе сравнения напряженного состояния породы в элементе относительно предельной поверхности конуса по формулам следующим образом:
г пред, loct 'Чей если оoct > ор,
Н (6)
L. ^oct la оси если o0ct ^ °р> где х0СГд и о0СГд - предельные октаэдрические напряжения, вычисленные по критерию Кулона-Мизеса; xoct и аос1 - октаэдрические напряжения, вычисленные с использованием стандартных процедур метода конечных элементов.
Результаты определения зоны поврежденных и разрушенных пород кровли при камерной отработке пласта, полученные на основе обобщенного критерия Кулона-Мизеса, приведены на рисунке 1. Граница зоны поврежденных пород соответствует изолинии, имеющей значение коэффициента остаточной прочности, равное единице (кр =1), так как в этом случае напряжение породы в конечных элементах достигает предельного значения.
Для оценки корректности критерия определения границ зон поврежденных и разрушенных пород было проведено сравнение формы и размеров лунки выкола, полученных при численном решении, с данными лабораторных испытаний по вдавливанию цилиндрического индентора с плоским основанием в поверхности породных образцов, проведенных в ИГД им. А. А. Скочинского.
Расстояние от забоя, м Рисунок 1 - Зона поврежденных и разрушенных пород кровли на основе обобщенного критерия Кулона-Мизеса
Установлено, что радиус лунки выкола песчаника при вдавливании в него цилиндрического индентора, полученный по результатам численного решения, удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными, а максимальное отклонение глубины лунки достигает 18% (рисунок 2). Меньшая глубина лунки в эксперименте зависит от толщины уплотненной разрушенной породы непосредственно под индентором на дне лунки выкола.
Радиус лунки, мм О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
зГ "0,25
£ -0,50
| -0,75
« -1,00
I -1,25 Ч. -1,50
♦ Песчаник ■ Известняк
• Сланец песчано-глинистый а Сланец глинистый _
-----экспериментальные данные (по Л.И. Барону)-численное решение
Рисунок 2 - Лунки выкола горных пород при вдавливании цилиндрического индентора в поверхности породных образцов
3. Последовательное накопление повреждений горных пород, с учетом изменения во времени их прочностных и деформационных свойств, приводит к периодическому обрушению пород кровли и циклическому изменению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя.
Для моделирования процесса обрушения пород кровли при движении очистного забоя необходимо учитывать фактор времени, так как прочностные и деформационные характеристики горных пород зависят от скорости движения забоя, величины и длительности приложения нагрузки.
Метод переменных модулей позволяет, используя функцию ползучести ф(0, учитывать изменение свойств угольного массива во времени путем замены деформационных характеристик горных пород временными функциями.
Однако функцию ползучести необходимо учитывать только в зоне влияния выработанного пространства. Для этого предлагается использовать коэффициент концентрации касательных октаэдрических напряжений, значение которого максимально в окрестности горной выработки и уменьшается при удалении от нее:
toct
*т= -, ¿т (7)
j>
ъ oct
где тoct - октаэдрические касательные напряжения в массиве, вмещающем горную выработку; z°oct - октаэдрические касательные напряжения в нетронутом массиве.
Тогда модуль деформации угля и пород E(t) в каждом конечном элементе, в зависимости от степени влияния на него выработанного пространства, с учетом (7), вычисляется следующим образом
Е 5tUa
Щ) =-, Ф(0 =-, (8)
l+cp(0(fcr-l)2 1 - а
где Е - мгновенный модуль деформации; t - время движения забоя от монтажной камеры; 8 и а (0<а<1) - характеристики ползучести, определяемые экспериментально (для основных пород угленосных толщ установлены в виде корреляционных зависимостей Б.З. Амусиным, H.H. Карелиным, А.М. Линько-вым).
Процесс обрушения пород кровли при пошаговом движении очистного забоя моделируется посредством расчета параметров объемного НДС углепо-родного массива, определения остаточной прочности породы каждом конечном элементе по формулам (5) - (6), изменения модуля деформации породы в элементах с учетом влияния функции ползучести по формуле (8), последовательного накопления повреждений в породах на каждом шаге подвигания забоя и установления бесконечно малого значения модуля деформации в тех
15
элементах, в которых накопленные повреждения превысили предельное значение.
Результаты моделирования процесса обрушения пород кровли при движении комплексно-механизированного забоя (КМЗ), приведены на рисунке 3 в виде изолиний коэффициента остаточной прочности пород (кр). Значение кр= 1 определяет границу зоны поврежденных пород. Как следует из рисунков, обрушение происходит в слоях подработанной толщи, расположенной непосредственно над выработанным пространством. Угол обрушения пород в выработанном пространстве составляет 50-80°._
zf
40
зо
20
10 о
П)
КМЗ
10 20 30 40 50 60
10 20 30 40 50
40 30 20 10 0
5
та
к
а
КМЗ
Z* 40 30 20 10 0
10
20 30 40 50 60
г
Л \
ki \ h*
ь КМЗ
10 20 30 40 50
60
Рисунок 3 - Изолинии коэффициента остаточной прочности пород при движении очистного забоя на: а - Юм; б - 20м; в - 30м; г -40м
На рисунке 4 приведены графики изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в середине лавы и на сопряжении с вентиляционным штреком. Из графиков видно, что по мере движения забоя от монтажной камеры происходит почти линейное увеличение коэффициента концентрации вертикальных напряжений. Одновременно с зависанием пород основной кровли и налегающей толщи, породы непосредственной кровли обруша-ются, вследствие чего коэффициент концентрации вертикальных напряжений частично снижается.
В процессе пошагового движения очистного забоя происходит возрастание нагрузки на угольный пласт и первичное обрушение пород основной кровли в середине лавы, что приводит к разгрузке и снижению коэффициента концентрации вертикальных напряжений на этом участке. Вследствие этого вес зависающих пород кровли перераспределяется на краевые участки угольного пласта и увеличивается коэффициент концентрации вертикальных напряжений в пласте вблизи сопряжений выемочных штреков и забоя. На следующем шаге подвигания забоя происходит полное обрушение пород кровли в пределах всего отработанного контура, что приводит к снижению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в угольном пласте на концевых участках лавы.
При дальнейшем движении очистного забоя формируется новая консоль зависания пород кровли. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в угольном массиве увеличивается как в середине лавы, так и на верхнем и нижнем сопряжениях лавы с выемочными выработками. Вторичное обрушение приводит к уменьшению коэффициента концентрации вертикальных напряжений по всей длине лавы.
I
я)
<и Я
ЕВ §
<и
2 « ¡2 и
3,4 ЗД 3,0 2,8 2,6 2,4 2Д 2,0 1,8 1,6 1,4 1Д 1,0 0,8 0,6 0,4 02 0,0
- сопряжение со штреком середина лавы
-1 1 1
I)
£ Д—
-9 и г ! 1
А 1 | ■ я И
обр тс ное иие 1 V г 1 1НО —
(1= =105 м) Н( м)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130140 150| Расстояние от монтажной камеры, м
Рисунок 4 - Графики изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений при пошаговом движении очистного забоя
Полученные результаты удовлетворительно описывают циклический характер зависания и обрушения подработанных пород кровли. Отношение вторичного и первичного шагов обрушения 0,38 попадает в диапазон 0,25-0,50, установленный экспериментально. Изменение вычисленного коэф-
17
фициента концентрации вертикальных напряжений в диапазоне 1,30-2,15 соответствует экспериментальным данным, диапазон значений которых составляет 1,40-2,29 по замерам напряжений в шахтных условиях на пластах впереди очистных выработок гидравлическими датчиками (ВостНИИ).
4. Вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по линии падения угольного пласта при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию, а величины горизонтальных смещений возрастают в 2-3 раза по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта.
В качестве базового варианта объекта исследований принят пласт 26а шахты «Абашевская»: мощность пласта - Зм, глубина разработки - 600м, угол падения пласта 0°. Для исследования влияния угла падения угольного пласта на характер распределения смещений пород кровли был проведен расчет параметров объемного НДС выемочного участка 26-30 шахты «Абашевская», при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию.
Установлено, что при отработке пологого пласта (ах=0°) горизонтальные смещения пород кровли распределяются почти симметрично в выработанном пространстве верхних выемочных столбов 26-26 и 26-28 (рисунок 5а). Изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями располагается в середине отработанных столбов. Зависание пород кровли над выработанным пространством столба 26-30 приводит к перемещению изолинии с нулевыми горизонтальными смещениями в сторону монтажной камеры.
Над выработанным пространством выявлены два максимума горизонтальных смещений: на расстоянии 120м от монтажных камер максимальные горизонтальные смещения направлены по оси ОХ в положительном направлении, а от демонтажных камер - в обратном направлении.
При отработке пласта по восстанию (ах=0+30°) или по падению (ах=-30н-0°) характер распределения смещений постепенно изменяется от симметричного к асимметричному (рисунки 5 б,в). В пределах почти всего выработанного пространства породы кровли смещены по линии падения пласта. Изолиния с нулевыми горизонтальными смещениями перемещается по падению пласта почти параллельно монтажным или демонтажным камерам.
Зона с максимальными горизонтальными смещениями (рисунок 56) расположена в выработанном пространстве выемочных участков 26-26 и 2628: при ах=30° на расстоянии 250м от монтажной камеры почти в створе с линией очистного забоя 26-30, а при ах=-30° на расстоянии 120м от монтажной камеры (рисунок 5в).
По линии очистного забоя наибольшие горизонтальные смещения установлены на верхнем сопряжении лавы с вентиляционным штреком. При отработке пласта по восстанию горизонтальные смещения пород кровли на этом сопряжении увеличиваются почти в 3 раза, по падению - в 2 раза, по сравнению с аналогичными смешениями при отработке пологого пласта. Таким обра-
зом, в очистном забое угольный массив ограничивает горизонтальные смещения пород непосредственной кровли по падению пласта._
Рисунок 5 - Изолинии горизонтальных смещений по оси ОХ (Ц) пород непосредственной кровли
5. Нисходящий порядок бесцеликовой отработки длинных выемочных столбов в панели по простиранию является более безопасным по геомеханическим условиям, так как при восходящем порядке разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком больше в 15-20 раз.
Для определения более безопасного по геомеханическим условиям порядка отработки столбов моделировалась отработка панели по бесцеликовой технологии в нисходящем или восходящем порядке длинными выемочными столбами при движении очистного забоя по простиранию наклонного угольного пласта с полным обрушением пород кровли.
При отработке панели выемочными столбами в нисходящем порядке (0^=30°) для случая, когда угольный пласт отработан сверху выемочными столбами 26-26 и 26-28, максимальные горизонтальные смещения пород кровли и почвы по линии падения пласта формируются в верхней части выработанного пространства. Горизонтальные смещения пород кровли и почвы на границе отрабатываемого выемочного столба 26-30 близки к нулю.
При восходящем порядке отработки (ау=-30°) выемочных столбов в панели максимальные горизонтальные смещения пород кровли формируются в нижней части выработанного пространства выемочных столбов 26-26, 26-28, а пород почвы - в очистном забое выемочного столба 26-30, вблизи сопряжения нижнего штрека и очистного забоя.
Независимо от порядка отработки панели выемочными столбами смещения пород кровли по линии очистного забоя направлены в сторону выработанного пространства ранее отработанных столбов, а пород почвы - в противоположном направлении. Разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраненным штреком при отработке выемочных полей столбами в восходящем порядке в 15-20 раз больше чем при отработке в нисходящем порядке.
Из сравнения величин горизонтальных смещений пород кровли и почвы пласта следует, что наиболее опасной по критерию устойчивости секций механизированной крепи и сохраняемой выработки является отработка выемочной панели выемочными участками в восходящем порядке, так как в этом случае породы кровли смещаются по линии падения пласта, а породы почвы в обратном направлении. Следовательно, на сопряжении нижнего штрека и очистного КМЗ можно ожидать максимальные отклонения секций механизированной крепи и разрушения сохраняемой выработки.
6. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в устойчивом угольном целике уменьшается на 16-25% в краевой части целика и на 7-13% в его середине при увеличении угла падения наклонного пласта, а в кровле целика возникает зона пониженных горизонтальных напряжений, размеры которой возрастают пропорционально площади выработанного пространства.
Для оценки влияния устойчивых угольных целиков (шириной более 0,6/ои, где 10„ - ширина зоны опорного горного давления) проведен расчет параметров объемного НДС при отработке выемочного столба 26-28 шахты «Абашевская» с оставлением ленточного угольного целика шириной 50м.
При отработке пологого пласта (ау=0°) вертикальные напряжения распределяются в угольном целике и вмещающих породах почти симметрично относительно оси целика. Максимумы вертикальных напряжений расположены у границ целика и минимум в его середине (рисунок 6а). Соответственно коэффициент концентрации вертикальных напряжений у границ целика составляет 2,8-3,0, а в середине - 1,6-1,7.
При отработке наклонного пласта (а},=30°) форма изолиний вертикальных напряжений ассиметрична относительно оси целика, а коэффициент концентрации снижается до 2,4 у границ целика и до 1,5 в его середине (рисунок 66). При увеличении ширины ленточного угольного целика максимальное значение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в середине целика снижается по линейной зависимости.
Оу = 0°
280 300 320 340 360 380 400 420
выработанное пространство угольный целик/пласт
ау =30°
280 300 320 340 360 380400 420
Рисунок 6 - Изолинии распределения вертикальных напряжений в зоне влияния угольного целика и выработанного пространства верхнего пласта
Также выявлены зоны пониженных горизонтальных напряжений над ленточным угольным целиком в породах кровли на высоте, близкой к ширине целика (рисунки 7 а,б), что является следствием сдвижения породных слоев в выработанные пространства соседних выемочных участков.
Рисунок 7 - Изолинии распределения горизонтальных напряжений при длине выработанного пространства отрабатываемого столба: а-50м; б-100м
При увеличении длины выработанного пространства отрабатываемого столба площадь зоны пониженных горизонтальных напряжений над угольным целиком также увеличивается пропорционально площади выработанного пространства. Наличие зоны пониженных горизонтальных напряжений в породах кровли повышает вероятность формирования коллектора и миграции флюидов над угольным целиком.
Установленные закономерности рекомендуется использовать для оценки напряженного состояния в целиках и краевых частях угольного пласта и прогнозирования параметров систем разработки на этапе их проектирования.
7. Уступная форма краевой части наклонного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию, приводит к формированию в надрабатываемом пласте концентраторов напряжений под уступом верхнего пласта, а граница зоны полной разгрузки углепородного массива по горизонтальным напряжениям смещается от уступа в сторону выработанного пространства.
Существующие методы прогноза распределения параметров НДС при отработке свиты угольных пластов не позволяют учитывать такие явления, как изменение интенсивности сдвижений подработанных и надработанных пород под и над угловыми участками выработанного пространства, а также интенсификацию процессов сдвижения в зоне влияния уступов в краевой части пласта.
Использование трехмерной расчетной модели слоистого массива горных пород позволяет прогнозировать аномальный характер сдвижения и распределения параметров объемного НДС на таких участках, а также оценить влияние опережающей подработки или надработки свиты пластов. Для исследования влияния уступа в краевой части пласта был проведен расчет параметров объемного НДС углепородного массива для свиты угольных пластов 26" и 26б шахты «Абашевская». Моделировалась отработка верхнего пласта 26б по бес-целиковой технологии для выемочного участка уступной формы.
Зависание пород кровли над уступом, краевой части отрабатываемого пласта приводит к увеличению в породах кровли и почвы надрабатываемого пласта под уступом верхнего пласта сжимающих вертикальных и горизонтальных напряжений. Вследствие этого границы зоны полной разгрузки по горизонтальным напряжениям перемещаются от уступа в сторону выработанного пространства (рисунок 8).
При отработке свиты пологих пластов вертикальные и горизонтальные напряжения в надрабатываемом пласте под уступом верхнего пласта изменяются монотонно. При наклонном залегании свиты пластов (а/=30°) наблюдается несколько экстремальных точек (точки А, В, С на рисунках 9 а,б) по линии падения свиты, в которых отмечаются повышенные величины горизонтальных и вертикальных напряжений. Ось, соединяющая центры концентраторов напряжений, отклоняется от линии падения пласта в сторону уступа верхнего пласта вследствие взаимного влияния зависающих пород кровли отрабатываемого столба и ранее отработанных выемочных участков.
........Х,|м
"О 200 400 600 800 1000 Расчетная схема отработки пласта 26б шахты «Абашевская»
-----под уступом
- впереди уступа
425 475
Рисунок 8 - Границы зон полной разгрузки по горизонтальным напряжениям в отрабатываемом и надрабатываемом пластах
260 300 340 380 420
проекция уступа верхнего угольного пласта в надрабатываемом пласте
Рисунок 9 - Изолинии распределения напряжений в надрабатываемом пласте в окрестности уступа при наклонном залегании пласта: а - горизонтальных; б - вертикальных
Учитывая неравномерность распределения этих концентраторов напряжений в угольном массиве, следует ожидать в указанных зонах надрабатывае-мого пласта повышенную вероятность горных ударов и внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок по нижнему пласту.
8. Геомеханические параметры систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов, с учетом пространственно-временного изменения положения системы выработок и их взаимного влияния, устанавливаются по результатам комплексных расчетов, с использованием разработанного пакета компьютерных программ.
Разработанный автором пакет компьютерных программ «вЕОРР-ЗО», зарегистрированный в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, позволяет выполнять комплексные расчеты для решения следующих практических задач геомеханики: определения ширины устойчивого угольного целика, параметров опорного горного давления, границ зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах, опасных зон, возникающих под влиянием ленточных угольных целиков и уступов краевых частей на сближенных пластах, минимальных безопасных расстояний от очистного забоя до границ опасных зон, нагрузок на механизированную крепь. Результаты решения некоторых из перечисленных задач приведены ниже.
Одной из задач геомеханики является построение зон повышенного горного давления (ЗПГД) и зон разгрузки (ЗР) в углепородном массиве с целью выбора рациональной очередности отработки пластов в свите, оптимального расположения подготовительных и очистных выработок на стадии разработки проектной документации.
Существующие методы позволяют выполнять геометрическое построение ЗПГД и ЗР в соответствии с типовыми схемами в главных сечениях выработанного пространства. При этом определение границ ЗПГД и ЗР вне главных сечений осуществляется по параметрам этих зон в главных сечениях.
Использование разработанного пакета компьютерных программ позволяет существенно расширить область применения предлагаемой методики посредством определения параметров ЗПГД и ЗР в любом сечении выработанного пространства, в том числе, в краевых частях угольного массива и плоскостях сближенных пластов свиты, с учетом прочностных и деформационных свойств породных слоев.
По результатам сравнения величин коэффициента концентрации вертикальных напряжений, полученных при численном решении, и границ ЗПГД и ЗР, построенных по типовым схемам, установлено, что на верхней и нижней границах ЗПГД среднее значение коэффициента концентрации вертикальных напряжений составляет 1,1-1,2, а на верхней и нижней границах ЗР - составляет 0,7-0,8. Указанные предельные значения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в главном сечении выработанного пространства приняты за основу при определении границ ЗПГД и ЗР вне главных сечений.
В качестве примера на рисунках 10 представлены изолинии коэффициента концентрации вертикальных напряжений, в зоне влияния выработанного пространства двух соседних выемочных столбов, в главном сечении и в краевой части выработанного пространства при отработке свиты наклонных пла-
стов (с^=20°). В соответствии с выбранными предельными значениями коэффициента концентрации вертикальных напряжений выделены ЗПГД и ЗР. Из рисунка 10а следует, что в главном сечении горной выработки границы ЗПГД и ЗР, построенные по результатам численного решения, удовлетворительно совпадают с границами этих зон, построенных по типовым схемам, однако вне главного сечения (рисунок 106) границы зон существенно отличаются. ""а I б
500 400 ЗОО 200 100 О -100 -200
г. 1м — — — — — — — - — — —
Г Г
Г
Г ¿г £ д
Г 3 У* рл &Г & ¡г"
шкзжтж&жжя&з&п уштжятжшшк »т'МШШЯМ
1 л а 1 —'
! 1 □
£ м
50 150 250350450 550 650 750
500 400 ЗОО 200 100 О -100
7 К
гл.
А \
чг
к
г
\ Й 1 „
у, N
50 150 250 350 450 550 650 750
йкгегая - ЗПГД по численному решению' ' - ЗПГД по типовым схемам - ЗР по численному решению П-Ш - ЗР по типовым схемам
Рисунок 10 - Изолинии коэффициента концентрации вертикальных напряжений при отработке наклонного пласта в главном сечении выработки (а) и в краевой зоне (б)
На рисунках .11 а,б представлены изолинии коэффициента концентрации вертикальных напряжений в надрабатываемом и подрабатываемом пластах. Как следует из рисунков площади опасных зон, построенные по типовым схемам, завышены на 15-20% за счет краевых участков. Это приводит к дополнительным производственным затратам на проведение мероприятий по обеспечению безопасности горных работ в подготовительных и очистных забоях.
Возможности практического использования разработанной методики для геомеханического обеспечения технологии и очередности подземной разработки свиты угольных пластов показаны на примере горного отвода шахты «Ульяновская» ОАО «УК «Южкузбассуголь», отрабатывающей свиту сближенных пластов 50 и 51.
Моделировались следующие случаи расположения оставляемого целика при отработке свиты пластов в восходящем и нисходящем порядках: под/над серединой отрабатываемого столба, в створе целика верхнего или нижнего отрабатываемого пласта, под/над забоем, параллельно линии забоя отрабатываемого пласта.
К N
150 250 350 450 550 650 750
■ ЗПГД по численному решению Х////Л - ЗР по численному решению _— —~ - ЗПГД по типовым схемам_
Рисунок 11 - Изолинии коэффициента концентрации вертикальных напряжений в надрабатываемом (а) и в подрабатываемом (б) пластах
Для оценки влияния угольного целика при нисходящем порядке отработки свиты пластов 51 и 50 было проведено моделирование для следующей расчетной схемы: верхний выемочный столб верхнего пласта отработан, а нижний - отрабатывается, между столбами оставлен угольный ленточный целик. Нижний пласт также отработан в пределах двух выемочных столбов и под серединой отрабатываемого столба оставлен угольный целик.
По результатам моделирования пошагового движения очистного забоя установлено, что вертикальные смещения пород кровли верхнего пласта над целиком нижнего пласта при подходе забоя к торцу целика уменьшаются: в 1,5 раза при совпадении линии забоя и торца целика и в 2,1 раза при переходе забоем торца целика (рисунок 12).
Сложная геомеханическая ситуация возникает при расположении ленточных угольных целиков на соседних пластах в створе. В этом случае концентраторами напряжений являются как верхний, так и нижний целики. Установлено, что вертикальные смещения пород кровли верхнего пласта при подходе забоя к торцу целика нижнего пласта, уменьшаются в 1,6 раза при совпадении линии забоя и торца целика и в 2,6 раза при переходе забоем торца целика.
При отработке свиты пластов в нисходящем порядке вертикальные смещения пород кровли нижнего отрабатываемого пласта под целиком верхнего пласта в 3-5 раз меньше по сравнению с аналогичными смещениями при отработке свиты пластов в восходящем порядке.
На основании полученных результатов установлено, что наиболее благоприятная геомеханическая ситуация создается при отработке свиты пластов
26
в нисходящем порядке, так как нижний пласт находится в зоне разгрузки пород, зависающих на угольном целике и краевых частях верхнего пласта.
Наиболее опасная геомеханическая ситуация создается в очистном забое, непосредственно над или под целиком, в зоне повышенного горного давления. На этих участках забоя необходимо устанавливать секции механизированной крепи повышенной несущей способности, увеличивать распор гидростоек крепи или проводить специальные мероприятия по упрочнению пород кровли и угольного пласта.
Расстояние от монтажной камеры до забоя: ■ 200м
§
о. о к
ж и
Я
а 2 и а> 2 ж
л §
И
к
Ё. и И
1600 1400 1200 1000
Расстояние от конвейерного штрека, м
Рисунок 12 - Графики вертикальных смещений пород кровли верхнего пласта 51 по линии очистного забоя (целик нижнего пласта 50 расположен в средней части выемочного столба)
Для исключения взаимного влияния геомеханического угольных целиков на сближенных пластах предлагается проводить планировку выемочных столбов таким образом, чтобы продольная ось середины выемочного столба отрабатываемого пласта и ось ленточного целика располагались в одной вертикальной плоскости, а ленточный целик между соседними выемочными участками отрабатываемого пласта располагался в зоне разгрузки отрабатываемых пластов свиты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации содержится решение крупной научной проблемы установления закономерностей распределения параметров объемного предельно-напряженного состояния слоистого массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной технологии подземной разра-
27
ботки свиты пологих или наклонных пластов, имеющей важное значение в угольной отрасли.
Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработан метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, отличающийся последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника, для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки: для неразрушенной части угольного целика 0,05-Ю, 10 его ширины, зоны отжима, краевой части угольного целика или очистного забоя - 0,1-Ю,3 вынимаемой мощности пласта, зоны опорного горного давления - 0,1-Ю,2 ее ширины и т.д.
2. Создан пакет программ «GEOPF-3D» для расчета параметров объемного НДС углепородного массива, отличающийся высокой адаптивностью к форме и размерам сложных горно-технических объектов, включающих систему подземных выработок, положение которых изменяется во времени и пространстве. Пакет программ зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий. Системные требования для функционирования пакета «GEOPF-3D»: CPU 2.4Ghz, 256Mb RAM, Windows XP, Fortran PowerStation 4.0, Surfer 6.0, Excel 2002.
3. Границы зон поврежденных и разрушенных пород определяются по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение предельных октаэдрических касательных или нормальных напряжений на паспорте прочности в областях сжатия или растяжения к соответствующим октаэдриче-ским напряжениям в углепородном массиве, вмещающем систему горных выработок.
4. Последовательное накопление повреждений горных пород приводит к периодическому обрушению пород кровли и циклическому изменению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя.
5. Относительные вертикальные смещения пород непосредственной кровли в краевой части угольного массива уменьшаются в 1,8 раза при увеличении предела прочности угля при сжатии в 4 раза, возрастают в 3,2 и 3,3 раза при увеличении глубины разработки в 4 раза и мощности пласта в 5 раз соответственно.
6. Увеличение площади выработанного пространства в 9 раз приводит к возрастанию максимальных относительных вертикальных смещений пород кровли в очистном забое 11,7 раза, а коэффициента концентрации напряжений в угольном пласте впереди забоя - в 1,8 раза.
7. Вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по линии падения угольного пласта
независимо от отработки длинного выемочного столба по падению или восстанию, а величины горизонтальных смещений возрастают в 2-3 раза по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта.
8. Горизонтальные смещения пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя возрастают почти в 2 раза при отработке длинного наклонного угольного столба по падению и 3 раза - по восстанию по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта.
9. Нисходящий порядок бесцеликовой отработки длинных выемочных столбов в панели по простиранию является более безопасным по геомеханическим условиям, так как при восходящем порядке разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком больше в 15-20 раз.
10. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в устойчивом угольном целике уменьшается на 16-25% в краевой части целика и на 713% в его середине при увеличении угла падения наклонного пласта, а в кровле целика возникает зона пониженных горизонтальных напряжений, размеры которой возрастают пропорционально площади выработанного пространства.
11. Уступная форма краевой части отрабатываемого наклонного пласта приводит к формированию в надрабатываемом пласте концентраторов напряжений под уступом верхнего пласта, а граница зоны полной разгрузки по горизонтальным напряжениям смещается от уступа в сторону выработанного пространства.
12. При движении очистного забоя высота зоны обрушения подработанных пород кровли увеличивается пропорционально расстоянию от монтажной камеры до забоя. Отношение вторичного и первичного шагов обрушения равное 0,38 попадает в установленный экспериментально диапазон 0,25-Ю,50. Изменение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в угольном пласте впереди очистного забоя в диапазоне 1,30+2,15 уточняет экспериментальный диапазон 1,40+2,29 по данным ВостНИИ.
13. Разработанная методика расчета геомеханических параметров систем разработки по интенсивным технологиям свиты пологих или наклонных угольных пластов позволяет определять в широком диапазоне варьирования горно-геологических и горнотехнических факторов: ширину устойчивого угольного целика; параметры зон опорного горного давления; границы зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах; границы опасных зон, возникающих под влиянием ленточных угольных целиков и уступов краевых частей на сближенных пластах; минимальные безопасные расстояния от очистного забоя до границ опасных зон; нагрузки на механизированную крепь.
14. Результаты научных исследований использованы при разработке проектов строительства и реконструкции шахт «Ульяновская», «Юбилейная», «Ерунаковская VIII» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь»,- проектировании гидроучастков ОАО «Шахта «Зиминка» ООО «УК «Прокопьевскуголь», выборе
технологии отработки мощного пласта короткими очистными забоями с выемкой угля гидравлическим способом гидроучастка ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс», в научно-исследовательских работах магистрантов и аспирантов СибГИУ.
Основные публикации по теме диссертации Монографии и брошюры
1. Павлова Л. Д. Расчет параметров крепи выработок сложной конфигурации / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов. - Новокузнецк: СибГИУ, 2001. - 55 с.
2. Павлова Л.Д. Геомеханическое состояние углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок / Л.Д. Павлова, Т.В. Петрова, В.Н. Фрянов - Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - 202 с.
3. Павлова Л.Д. Моделирование геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве / Л.Д. Павлова - Новокузнецк: СибГИУ 2005. -239 с.
Публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях
4. Павлова Л.Д. Разработка алгоритма прогноза напряженно-деформированного состояния в окрестности подготовительного забоя горной выработки / Л.Д. Павлова, А.Г. Скуров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - №4. - С. 125-126.
5. Скуров А.Г. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния углепородного массива в зоне механического разрушения угля в проходческом забое / А.Г. Скуров, Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - №5. - С. 65-67.
6. Павлова Л.Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2003. - № 1. -С. 59-63.
7. Павлова Л.Д. Настройка параметров расчетной модели количественного прогнозирования геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве по результатам шахтных исследований / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - №2. - С. 281-283.
8. Павлова Л.Д. Моделирование циклического характера обрушения горных пород при проведении выработки с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Том 307, № 2. - С. 76-79.
9. Павлова Л.Д. Настройка пространственной расчетной модели определения геомеханических параметров в разрушаемом углепородном массиве / Л.Д. Павлова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2004. - № 3. - С. 6-10.
Ю.Павлова Л.Д. Моделирование блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - №3. - С. 202-205.
11. Павлова Л.Д. Геометрическая дискретизация на конечные элементы, конгруэнтные по форме и размерам структурным блокам разрушаемого угле-породного массива / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 4. - С. 298-301.
12. Павлова Л.Д. Пространственная расчетная модель блочного обрушения подработанных пород кровли угольного пласта / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2004. - № 5. - С. 105-108.
13.Павлова Л.Д. Исследование влияния глубины залегания и мощности угольного пласта на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 5. - С. 302-304.
14. Павлова Л.Д. Настройка пространственной модели разрушения горных пород по результатам испытаний на контактную прочность / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. - 2004. - № 6. - С. 94-97.
15.Павлова Л.Д. Прогноз параметров зон разрушения подработанных пород кровли пласта на основе энергетической деформационной теории / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2004.-№9.-С. 125-127.
16. Павлова Л.Д. Дискретизация массива горных пород на конечные элементы, подобные структурным блокам углепородного массива / Л.Д. Павлова // Вестник Томского государственного университета. - 2004. - № 284. - С. 231-235.
17. Павлова Л.Д. Исследование влияния движущегося очистного забоя на характер зависания и циклического обрушения подработанных пород кровли угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Том 308, №1. - С. 39-44.
18. Павлова Л.Д. Формирование зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения подработанных пород кровли при отработке свиты угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Том 308, №3. - С. 43-46.
19. Павлова Л.Д. Исследование влияния угла падения угольного пласта на распределение подрабатываемых пород кровли / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - № 6. - С. 142-148.
20. Павлова Л.Д. Оценка влияния угольных целиков на распределение параметров НДС углепородного массива при отработке свиты пластов / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005. - № 11. -С. 40-44.
21. Павлова Л.Д. Расчет параметров опорного давления в угольном пласте / Л.Д. Павлова // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2006.-№4.-С. 57-60.
22. Павлова Л.Д. Моделирование пространственного распределения смещений пород кровли при взаимном влиянии горных выработок на сближенных пластах / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение. Физика горных пород. -2006. - С. 245-251.
Публикации в журналах и сборниках научных трудов
23. Павлова Л.Д. Адаптация метода конечных элементов для решения пространственных задач горной механики / Л.Д. Павлова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 14-17 сентября 1999г. - Кемерово: ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО «Экспо-Сибирь», 1999.- С. 135-136.
24. Павлова Л.Д. Анализ эффективности и адекватности реальным условиям численных методов решения дифференциальных уравнений механики горных пород / Л. Д. Павлова // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды IV Междунар. науч.-практ. конф., Новокузнецк, 16-17 ноября 1999г. - Новокузнецк: СибГИУ, 1999. - С. 98-100.
25. Павлова Л.Д. Конструирование пространственной сетки конечных элементов для зоны сопряжений и пересечений горных выработок / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов, П.В. Васильев // Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии: Материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., Новокузнецк, 6-9 июня 2000г. - Новокузнецк: СибГИУ, 2000.-С. 128-130.
26. Павлова Л.Д. Определение зон упругого, нелинейного и запредельного деформирования горных пород по критерию остаточной прочности / Перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Труды VIII Междунар. науч.-практ. конф., Новокузнецк, 13-14 июня, 2001г. -Новокузнецк: СибГИУ, 2001. - С. 110-113.
27. Павлова Л.Д. Расчет пространственного напряженно-деформированного состояния углепородного массива методом конечных элементов в окрестности сопряжений горных выработок / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2002. - № 6(10) -С. 29.
28. Павлова Л.Д. Моделирование процесса дезинтеграции слоистого углепородного массива при отработке угольных месторождений подземным способом / Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды VI Междунар. конф., Новокузнецк, 21-22 ноября 2001г. - Новокузнецк: СибГИУ, 2001. - С. 21-22.
29. Павлова Л.Д. Разработка алгоритма адаптации формы и размеров конечных элементов к параметрам структурных блоков массива горных пород / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды VI Междунар.
конф., Новокузнецк, 21-22 ноября 2001г. - Новокузнецк: СибГИУ, 2001. -С. 37-39.
30. Павлова Л.Д. Систематизация геомеханических моделей массива горных пород / Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Сб. науч. статей, Новокузнецк, 3-4 июня 2003г. - Новокузнецк, 2003. - С. 63-68.
31. Павлова Л.Д. Модель блочного обрушения пород кровли при отработке свиты угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды Междунар. конф., Новосибирск, 6-9 октября 2003г. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. - С. 428-432.
32. Павлова Л.Д. Разработка реологической модели для учета изменения свойств угольного массива во времени / Л.Д. Павлова // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды VIII Междунар. конф., Новокузнецк, 25-26 ноября 2003г. - Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - С. 61-62.
33. Павлова Л.Д. Программа исследований влияния горногеологических и горнотехнических факторов на распределение параметров напряженно-деформированного состояния слоистого углепородного массива / Л.Д. Павлова // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Сб. науч. статей, Новокузнецк, 8-10 июня 2004г. - Новокузнецк, 2004. - С. 39-44.
34. Павлова Л.Д. Пространственная расчетная модель динамического блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2004. - № 6 - С. 40.
35. Павлова Л.Д. Описание модели количественного прогнозирования геомеханического состояния разрушаемого углепородного массива / Л.Д. Павлова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Материалы X Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 23-24 ноября 2004г. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2004. - С. 87-89.
36. Павлова Л.Д. Методика настройки пространственной геомеханической модели массива горных пород / Л.Д. Павлова // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды IX Междунар. конф., Новокузнецк, 7-8 декабря 2004г. - Новокузнецк: СибГИУ,2004.-С. 27-31.
37. Павлова Л.Д. Структура и назначение методики количественного прогнозирования геомеханического состояния разрушаемого углепородного массива для выработок сложной формы в плоскости пласта / Л.Д. Павлова // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Сб. науч. статей, Новокузнецк, 7-9 июня 2005г. - Новокузнецк, 2005. - С. 44-47.
38. Павлова Л.Д. Построение расчетной схемы количественного прогнозирования пространственного напряженно-деформированного состояния раз-
рушаемого углепородного массива / Л.Д. Павлова // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды X Междунар. конф., Новокузнецк, 7-8 декабря 2005г. - Новокузнецк: СибГИУ, 2005. - С. 63-67.
39. Павлова Л.Д. Адаптация метода вложенных областей для решения пространственных задач геомеханики / Л.Д. Павлова // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Сб. науч. статей, Новокузнецк, 6-8 июня 2006г. - Новокузнецк, 2006. - С. 40-42.
40. Павлова Л.Д. Расчет параметров объемного геомеханического состояния слоистого массива горных пород при отработке свиты пологих или наклонных угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Инновации в науке и образовании. - 2006. - № 7(18) - С. 23.
41. Павлова Л. Д. Расчет предельных безопасных расстояний от очистного забоя до геологического нарушения / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды Междунар. конф., Новосибирск, 10-13 октября 2005г. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2006. -С. 370-376.
42. Павлова Л.Д. Определение ширины устойчивого угольного целика на основе расчета параметров объемного напряженно-деформированного состояния разрушаемого углепородного массива методом конечных элементов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов //Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений: Материалы IV Российско-китайского симп., Кемерово, 21-22 сентября 2006г. - Кемерово, 2006. - С. 36-39.
Авторские свидетельства
43. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2673. Пространственная расчетная модель динамического блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов, Сиб. гос. индустр. ун-т. - №ГР 50200300498; Дата регистр. 06.06.2003.
44. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 6605. Расчет параметров объемного геомеханического состояния слоистого массива горных пород при отработке свиты пологих или наклонных угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов, Сиб. гос. индустр. ун-т. - № ГР 50200601363; Дата регистр. 14.07.2006.
Подписано в печать 15.01.2007. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,72 Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 87
Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова,42. Типография СибГИУ
Содержание диссертации, доктора технических наук, Павлова, Лариса Дмитриевна
ВВЕДЕНИЕ.
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.
1.1 Анализ влияния процессов деформирования и разрушения горных пород на проявления горного давления и устойчивость подземных выработок.
1.2 Систематизация моделей горных пород и массивов.
1.3 Анализ методов исследования процессов деформирования и разрушения пород в горном массиве при техногенном воздействии системы подземных выработок.
1.4 Анализ программных средств расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
1.5 Постановка научной проблемы, характеристика объекта и выбор методов исследований.
2 АДАПТАЦИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ ПОЛОГИХ ИЛИ НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ.
2.1 Трехмерная дискретизация геомеханической модели слоистого горного массива с учетом размеров объектов систем разработки пологих или наклонных пластов.
2.2 Разработка алгоритма расчета методом конечных элементов параметров объемного напряженно-деформированного состояния слоистого горного массива.
2.3 Адаптация метода конечных элементов для решения нелинейной задачи расчета параметров объемного предельно-напряженного состояния углепородного массива при отработке свиты пластов.
2.4 Сравнительная оценка результатов численного и аналитического расчетов параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
2.5 Выводы.
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ ЗОН
ПОВРЕЖДЕННЫХ И РАЗРУШЕННЫХ ПОРОД ДЛЯ
МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО ОБРУШЕНИЯ ПОРОД
КРОВЛИ ПРИ ПОШАГОВОМ ДВИЖЕНИИ ОЧИСТНОГО
ЗАБОЯ.
3.1 Разработка метода определения границ зон поврежденных и разрушенных пород слоистого горного массива.
3.2 Определение границ зоны разрушения пород при вдавливании абсолютно жесткого штампа по экспериментальным данным и результатам численного решения.
3.3 Моделирование циклического обрушения пород кровли при пошаговом движении очистного забоя.
3.4 Сравнение результатов численного моделирования циклического обрушения пород кровли при пошаговом движении очистного забоя и шахтных наблюдений.
3.5 Выводы.
4 НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННО
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО
МАССИВА.
4.1 Выбор базового варианта объекта исследований.
4.2 Анализ результатов шахтных исследований проявлений горного давления при интенсивной отработке выемочного участка 26-3 0 шахты «Абашевская».
4.3 Настройка параметров расчетной модели определения объемного напряженно-деформированного состояния углепородного массива по результатам шахтных наблюдений.
4.4 Выводы.
5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И
ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕМНОГО ПРЕДЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННОГО
СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА.
5.1 Программа исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на формирование объемного напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.2 Исследование влияния глубины разработки на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.3 Исследование влияния мощности угольного пласта на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.4 Исследование влияния механических свойств угля на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.5 Исследование влияния угла падения угольного пласта на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.6 Исследование влияния формы и размеров выработанного пространства на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
5.7 Исследование формирования зон разгрузки, повышенного горного давления и разрушения при отработке свиты сближенных угольных пластов.
5.В Исследование влияния устойчивых угольных целиков на распределение параметров предельно-напряженного состояния углепородного массива при отработке свиты пластов.
5.9 Исследование влияния движущегося очистного забоя на характер зависания и циклического обрушения подработанных пород кровли свиты угольных пластов.
5.10 Выводы.
6 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ СВИТЫ ПОЛОГИХ
ИЛИ НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПО
ИНТЕНСИВНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
6.1 Описание методики расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов.
6.2 Подготовка исходных данных для расчёта параметров объемного напряженно-деформированного состояния углепородного массива.
6.3 Определение ширины устойчивого угольного целика.
6.4 Расчет параметров опорного горного давления в угольном пласте.
6.5 Определение зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах.
6.6 Расчет минимальных безопасных расстояний от очистного забоя до дизъюнктивного геологического нарушения.
6.7 Расчет нагрузок на механизированную крепь по длине забоя.
6.8 Рекомендации по практическому использованию результатов исследований для геомеханического обеспечения интенсивных технологий подземной разработки угольных месторождений Южного Кузбасса.
6.9 Выводы.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование параметров объемного предельно-напряженного состояния углепородного массива при подземной отработке свиты пластов"
Актуальность работы. Подземная разработка угольных месторождений приводит к нарушению геомеханического равновесия горного массива в пределах шахтных полей одного или группы соседних угледобывающих предприятий, сдвижению и разрушению горных пород. Поэтому на стадии разработки проектной документации и освоения угольного месторождения необходимо прогнозировать геомеханическое состояние массива горных пород в целях обеспечения промышленной безопасности в угледобывающих регионах.
Существующие нормативные документы и методы обоснования параметров геомеханического состояния углепородного массива при проведении горных выработок базируются, как правило, на результатах натурных наблюдений и эмпирических зависимостях, полученных по этим наблюдениям в
80-е годы прошлого столетия, т.е. при нагрузке на очистной забой до 1200т/сутки и длине лавы 80-120м, что не соответствует основным параметрам современной интенсивной технологии угледобычи, характеризующейся среднесуточной нагрузкой на очистной забой 30008000т и длиной лавы 250-350м. Представительные результаты натурных исследований геомеханических процессов при отработке свиты угольных пластов по интенсивным технологиям также отсутствуют.
Одним из направлений обоснования геомеханических параметров технологии интенсивной угледобычи является математическое моделирование процессов деформирования и разрушения углепородного массива. Область применения известных аналитических методов расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива, как правило, ограничена простейшими расчетными схемами для идеализированных однородных упругих или упругопластических сред. Нерешенными остаются трехмерные задачи геомеханики структурно7 неоднородных сред при техногенном воздействии системы очистных и подготовительных выработок.
Недостаточная надежность критериев оценки степени нарушенности пород в окрестности системы горных выработок по существующим методикам подтверждается высоким уровнем (до 18%) аварийных ситуаций на шахтах вследствие влияния геомеханических факторов. Современные средства вычислительной техники и комплексы программ математического моделирования процессов нелинейного деформирования горных пород создают необходимые условия для разработки нетрадиционных методик прогноза их устойчивости в подземных выработках.
В связи с этим актуальным является решение научной проблемы установления закономерностей распределения параметров объемного предельно-напряженного состояния слоистого массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной технологии подземной разработки свиты пологих и наклонных пластов, имеющей важное значение в угольной отрасли.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Алтае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии», государственный контракт № Э0123, №ГР 01200302559; задания Министерства образования РФ - «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объемного напряженного состояния при комплексном воздействии на горный массив механических инденторов и гидравлических струй», государственный контракт № 38-6, заказ-наряд №12, №ГР 01200117892; федеральной целевой научно-технической программы - «Разработка теории миграции флюидов в неоднородном массиве под влиянием переменных механических напряжений и температуры» №СибГИУ 1.3.04, №ГР 01200409401.
Целью работы является обоснование параметров объемного предельно-напряженного состояния массива горных пород для геомеханического обеспечения систем разработки длинными столбами свиты пологих или наклонных угольных пластов шахт.
Идея работы заключается в том, что распределение во времени параметров объемного напряженно-деформированного состояния определяется движением очистного забоя, в результате которого в углепородном массиве накапливаются повреждения, приводящие к циклическому обрушению подработанных пород кровли.
Задачи исследований:
1. Разработать метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород с учетом размеров объектов систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов.
2. Обосновать критерий выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород в условиях объемного напряженного состояния углепородного массива при техногенном воздействии системы подземных выработок.
3. Установить закономерность изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте при движении очистного забоя и последовательном накоплении повреждений пород.
4. Исследовать влияние угла падения угольного пласта на характер распределения смещений пород кровли и почвы в окрестности очистного забоя при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию.
5. Установить оптимальный по геомеханическим условиям порядок бесцеликовой отработки панели длинными выемочными столбами по простиранию наклонного угольного пласта.
6. Установить закономерности распределения параметров напряженно-деформированного состояния в угольном ленточном целике между выработанными пространствами соседних выемочных столбов и вмещающих целик горных породах.
7. Исследовать влияние уступа краевой части наклонного угольного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию, на напряженное состояние надрабатываемого пласта.
8. Создать методику расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов интенсивными технологиями.
Методы исследований: методы механики деформируемых сплошных сред для физико-математического моделирования геомеханических процессов в углепородном массиве; методы аналитической геометрии в пространстве для разработки алгоритма трехмерной дискретизации геомеханической модели горного массива; метод конечных элементов для численного решения дифференциальных уравнений механики сплошной среды, методы объектно-ориентированного программирования для создания пакета программ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• кратность размеров конечных элементов размерам объектов систем разработки достигается последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника при трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, вмещающего свиту пологих или наклонных угольных пластов;
• границы зон поврежденных и разрушенных пород определяются на основе коэффициента остаточной прочности, вычисляемого как отношение предельных октаэдрических касательных напряжений на паспорте прочности в области сжатия или нормальных - в области растяжения к соответствующим октаэдрическим напряжениям в углепородном массиве, вмещающем систему горных выработок;
• последовательное накопление повреждений горных пород, с учетом изменения во времени их прочностных и деформационных свойств, приводит к периодическому обрушению пород кровли и циклическому изменению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя;
• вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по линии падения угольного пласта при отработке длинного выемочного столба по падению или восстанию, а величины горизонтальных смещений возрастают в 2-3 раза по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта;
• нисходящий порядок бесцеликовой отработки длинных выемочных столбов в панели по простиранию является более безопасным по геомеханическим условиям, так как при восходящем порядке разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком больше в 15-20 раз;
• коэффициент концентрации вертикальных напряжений в устойчивом угольном целике уменьшается на 16-25% в краевой части целика и на 713% в его середине при увеличении угла падения наклонного пласта, а в кровле целика возникает зона пониженных горизонтальных напряжений, размеры которой возрастают пропорционально площади выработанного пространства;
• уступная форма краевой части наклонного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию, приводит к формированию в надрабатываемом пласте концентраторов напряжений под уступом верхнего пласта, а граница зоны полной разгрузки углепородного массива по горизонтальным напряжениям смещается от уступа в сторону выработанного пространства;
• геомеханические параметры систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов, с учетом пространственно-временного изменения положения системы выработок, устанавливаются по результатам комплексных расчетов, с использованием разработанного пакета компьютерных программ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций гарантируется корректным использованием уравнений механики сплошной среды, численного метода конечных элементов, обобщенного критерия прочности Кулона-Мизеса; обеспечивается представительным объемом численных экспериментов (более 300); подтверждается удовлетворительным соответствием результатов численного моделирования и экспериментальных данных разрушения горных пород (отклонение не превышает 18%).
Научная новизна работы:
• разработан метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, отличающийся последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки;
• обоснован критерий выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение предельных октаэдрических напряжений на паспорте прочности в областях сжатия или растяжения соответственно к касательным или нормальным напряжениям в зоне влияния горных выработок;
• установлено циклическое изменение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы в процессе последовательного накопления повреждений и периодического обрушения пород кровли при движении очистного забоя;
• установлено, что вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по падению пласта независимо от порядка отработки длинного наклонного угольного столба по падению или восстанию;
• установлена максимальная разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком при бесцеликовой отработке в восходящем порядке длинных выемочных столбов в панели по простиранию по сравнению с нисходящим порядком;
• выявлено наличие зоны пониженных горизонтальных напряжений над ленточным угольным целиком в породах кровли на высоте, близкой к ширине целика, размеры зоны увеличиваются пропорционально площади выработанного пространства;
• выявлено наличие в надрабатываемом пласте локальных участков повышенных сжимающих нормальных напряжений под уступом верхнего наклонного пласта, отрабатываемого длинными столбами по простиранию;
• разработан пакет компьютерных программ для расчета параметров объемного напряженно-деформированного состояния разрушаемого углепородного массива, отличающийся высокой адаптивностью к форме и размерам сложных горнотехнических объектов, включающих систему горных выработок, положение которых изменяется во времени и пространстве.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов на формирование объемного предельнонапряженного состояния массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной отработки свиты пологих или наклонных угольных пластов системой подземных выработок.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика расчета геомеханических параметров систем разработки по интенсивным технологиям свиты пологих или наклонных угольных пластов позволяет^ определять в широком диапазоне варьирования горно-геологических и горнотехнических факторов: ширину устойчивого угольного целика; параметры зон опорного горного давления; границы зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах; границы опасных зон, возникающих под влиянием ленточных угольных целиков и уступов краевых частей на сближенных пластах; минимальные безопасные расстояния от очистного забоя до границ опасных зон; нагрузки на механизированную крепь.
Личный вклад автора состоит: —
• в разработке метода трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород с последовательным выделением вложенных подобластей для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки;
• в обосновании критерия выделения границ зон поврежденных и разрушенных пород по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение предельных и расчетных октаэдрических напряжений;
• в установлении влияния последовательного накопления повреждений горных пород на периодическое обрушение пород кровли и цикличность изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя;
• в определении направления вектора горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя при отработке длинного наклонного угольного столба по падению или восстанию пласта;
• в обосновании более безопасного по геомеханическим условиям нисходящего порядка бесцеликовой отработки в панели длинных выемочных столбов по простиранию наклонного пласта;
• в установлении пропорциональной зависимости размеров зон пониженных горизонтальных напряжений над ленточным угольным целиком от площади выработанного пространства;
• в выявлении концентраторов нормальных сжимающих напряжений в надрабатываемом пласте под уступом краевой части верхнего отрабатываемого пласта;
• в создании пакета компьютерных программ и разработке на его основе методики расчета геомеханических параметров систем разработки свиты пологих или наклонных угольных пластов интенсивными технологиями.
Реализация работы. Разработанный пакет компьютерных программ зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий (свидетельства об отраслевой регистрации разработки № 2673, № 6605). Научно-учебный комплекс «Геомеханика», награжденный Дипломом I степени на XI Международной специализированной ярмарке «Уголь России и Майнинг 2004», используется в научно-исследовательских работах магистрантов и аспирантов СибГИУ. Методика расчета геомеханических параметров слоистого углепородного массива в окрестности подготовительных горных выработок награждена серебряной медалью на XIII Международной выставке «Уголь России и Майнинг 2006». Разработанные на основе результатов моделирования рекомендации по пространственно-временному расположению системы горных выработок включены в проекты строительства и реконструкции шахт «Ульяновская», «Юбилейная», «Ерунаковская VIII» ОАО «УК «Южкузбассуголь», ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс», ОАО «Шахта «Зиминка» ООО «УК «Прокопьевскуголь».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 1999г.), «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1999-2000гг.), «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1999-2005гг.), «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2001-2005гг.), «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2003г., 2005г.), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово 2004г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2004-2005гг.), Российско-Китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (Кемерово, 2006г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 44 печатных работах, включая 2 монографии, 2 авторских свидетельства, 40 научных статей, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 19 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложена на 306 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 120 рисунков, список литературы из 249 наименований.
Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Павлова, Лариса Дмитриевна
6.9 Выводы
Реализация системного подхода с использованием современных вычислительных методов и программных средств обеспечила создание пакета компьютерных программ «ОЕОРР-ЗБ», предназначенный для решения трехмерных нелинейных задач механики горных.
Методика определения геомеханических параметров систем разработки по интенсивным технологиям свиты пологих или наклонных угольных пластов, разработанная на основе комплексных расчетов с использованием разработанного пакета программ «СЕОРР-ЗБ», позволяет решать следующие практические задачи геомеханики:
• определять ширину устойчивого угольного целика в любой точке заданного выработанного пространства;
• определять точку максимума опорного давления, расстояние до нее и размер зоны опорного давления, задавая в исходных данных горногеологические параметры реального углепородного массива;
• определять границы зон повышенного горного давления и разгрузки в любом сечении выработанного пространства, в том числе в краевых частях, при отработке свиты пластов с учетом влияния угла падения угольного пласта и других горно-геологических факторов;
• определять минимальные безопасные расстояния от забоя до разрывного геологического нарушения, для того чтобы своевременно разрабатывать и проводить необходимые мероприятия, обеспечивающие безопасность проведения горных работ;
• учитывать характер совместного взаимодействия механизированной крепи и пород кровли как единой системы, выбирать оптимальный тип крепи и режим управления ею.
270
Следует отметить, что область применения разработанной методики существенно шире по сравнению с существующими нормативными документами. Появляется возможность определять параметры объемного НДС углепородного массива в окрестности очистного забоя при взаимном влиянии выработанных пространств отрабатываемого и соседних выемочных столбов, устанавливать параметры изменения зон повышенного горного давления под влиянием угольных целиков сложной формы при движении очистного забоя, осуществлять оперативный прогноз динамики границ ЗПГД и проводить мероприятия по снижению напряжений в опасных зонах, эффективно управлять породами кровли посредством выбора оптимального для каждого класса пород типа и конструкции крепи в зависимости от начального распора.
Также появляется возможность проводить предпроектные исследования с целью прогноза параметров сдвижения горных пород и формирования зон повышенного горного давления при отработке свиты сближенных пластов в нисходящем и восходящем порядках для геомеханического обеспечения интенсивных технологий подземной разработки угольных месторождений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации содержится решение крупной научной проблемы установления закономерностей распределения параметров объемного предельно-напряженного состояния слоистого массива горных пород для геомеханического обеспечения интенсивной и безопасной технологии подземной разработки свиты пологих и наклонных пластов, имеющей важное значение в угольной отрасли.
Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработан метод трехмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород, отличающийся последовательным выделением вложенных подобластей и определением их граничных условий по методу источника, для получения размеров конечных элементов кратных размерам объектов систем разработки: для неразрушенной части угольного целика 0,05+0,10 его ширины, зоны отжима, краевой части угольного целика или очистного забоя - 0,1+0,3 вынимаемой мощности пласта, зоны опорного горного давления - 0,1+0,2 ее ширины и т.д.
2. Создан пакет программ «GEOPF-3D» для расчета параметров объемного НДС углепородного массива, отличающийся высокой адаптивностью к форме и размерам сложных горно-технических объектов, включающих систему подземных выработок, положение которых изменяется во времени и пространстве. Пакет программ зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий. Системные требования для функционирования пакета «GEOPF-3D»: CPU 2.4Ghz, 256Mb RAM, Windows XP, Fortran PowerStation 4.0, Surfer 6.0, Excel 2002.
3. Границы зон поврежденных и разрушенных пород определяются по коэффициенту остаточной прочности, вычисляемому как отношение
272 предельных октаэдрнческих касательных или нормальных напряжений на паспорте прочности в областях сжатия или растяжения к соответствующим октаэдрическим напряжениям в углепородном массиве, вмещающем систему горных выработок.
4. Последовательное накопление повреждений горных пород приводит к периодическому обрушению пород кровли и циклическому изменению коэффициента концентрации вертикальных напряжений в отрабатываемом угольном пласте по длине выемочного столба и лавы при движении очистного забоя.
5. Относительные вертикальные смещения пород непосредственной кровли в краевой части угольного массива уменьшаются в 1,8 раза при увеличении предела прочности угля при сжатии в 4 раза, возрастают в 3,2 и 3,3 раза при увеличении глубины разработки в 4 раза и мощности пласта в 5 раз соответственно.
6. Увеличение площади выработанного пространства в 9 раз приводит к возрастанию максимальных относительных вертикальных смещений пород кровли в очистном забое 11,7 раза, а коэффициента концентрации напряжений в угольном пласте впереди забоя - в 1,8 раза.
7. Вектор горизонтальных смещений пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя направлен по линии падения угольного пласта независимо от отработки длинного выемочного столба по падению или восстанию, а величины горизонтальных смещений возрастают в 2-3 раза по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта.
8. Горизонтальные смещения пород непосредственной кровли в окрестности очистного забоя возрастают почти в 2 раза при отработке длинного наклонного угольного столба по падению и 3 раза - по восстанию по сравнению с аналогичными смещениями при отработке пологого пласта.
9. Нисходящий порядок бесцеликовой отработки длинных выемочных столбов в панели по простиранию является более безопасным по геомеханическим условиям, так как при восходящем порядке разность разнонаправленных горизонтальных смещений пород кровли и почвы на сопряжении очистного забоя с сохраняемым выемочным штреком больше в 15-20 раз.
10. Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в устойчивом угольном целике уменьшается на 16-25% в краевой части целика и на 7-13% в его середине при увеличении угла падения наклонного пласта, а в кровле целика возникает зона пониженных горизонтальных напряжений, размеры которой возрастают пропорционально площади выработанного пространства.
11. Уступная форма краевой части отрабатываемого наклонного пласта приводит к формированию в надрабатываемом пласте концентраторов напряжений под уступом верхнего пласта, а граница зоны полной разгрузки по горизонтальным напряжениям смещается от уступа в сторону выработанного пространства.
12. При движении очистного забоя высота зоны обрушения подработанных пород кровли увеличивается пропорционально расстоянию от монтажной камеры до забоя. Отношение вторичного и первичного шагов обрушения равное 0,38 попадает в установленный экспериментально диапазон 0,25-Ю,50. Изменение коэффициента концентрации вертикальных напряжений в угольном пласте впереди очистного забоя в диапазоне 1,30+2,15 уточняет экспериментальный диапазон 1,40+2,29 по данным ВостНИИ.
13. Разработанная методика расчета геомеханических параметров систем разработки по интенсивным технологиям свиты пологих или наклонных угольных пластов позволяет определять в широком диапазоне варьирования горно-геологических и горнотехнических факторов: ширину устойчивого угольного целика; параметры зон опорного горного давления; границы зон повышенного горного давления и разгрузки в одиночном, надрабатываемом и подрабатываемом пластах; границы опасных зон, возникающих под влиянием ленточных угольных целиков и уступов краевых частей на сближенных пластах; минимальные безопасные расстояния от очистного забоя до границ опасных зон; нагрузки на механизированную крепь.
14. Результаты научных исследований использованы при разработке проектов строительства и реконструкции шахт «Ульяновская», «Юбилейная», «Ерунаковская VIII» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», проектировании гидроучастков ОАО «Шахта «Зиминка» ООО «УК «Прокопьевскуголь», выборе технологии отработки мощного пласта короткими очистными забоями с выемкой угля гидравлическим способом гидроучастка ОАО «Шахта им. В.И. Ленина» УК «Южный Кузбасс», в научно-исследовательских работах магистрантов и аспирантов СибГИУ.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Павлова, Лариса Дмитриевна, Новокузнецк
1. Авершин С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок / С.Г. Авершин. Ленинград: ВНИМИ, 1960.-87 с.
2. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках / С.Г. Авершин. М.: Углетехиздат, 1947. - 245 с.
3. Агудалин Б.П. Повышение безопасности очистных работ при переходе тектонических нарушений / Б.П. Агудалин и др. // Безопасность труда в промышленности. 2005. - № 1. - С. 14 - 15.
4. Амусин Б.З. Корреляционные зависимости реологических свойств основных углевмещающих пород и угля от модуля упругости / Б.З. Амусин, H.H. Карелин // Устойчивость и крепление горных выработок. -Л.: ЛГИ, 1976. Вып. 3. - С. 78 - 82.
5. Амусин Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. М.: Недра, 1975. - 144 с.
6. Амусин Б.З. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач линейной наследственной ползучести / Б.З Амусин, A.M. Линьков // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1974. -№6.-С. 162- 166.
7. Антипов В.И. Численное моделирование геомеханических процессов в породном массиве / В.И. Антипов, П.Е. Филимонов, H.H. Гатауллин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды Междунар. конф. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. - С. 52 - 54.
8. Бабиюк Г.В. Оценка напряженного состояния массива при проведении выработки / Г.В. Бабиюк, А.И. Мел ежик, С. А. Курман // Уголь Украины. 2002. - № 5. - С. - 22 - 26.
9. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов / И.В. Баклашов. М.: Недра, 1988. - 271 с.
10. Баклашов И.В. Механические процессы в породных массивах / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия. М.: Недра, 1986. - 272 с.
11. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении / Г.И. Баренблатт //ПМТФ. -1961. №4. - С. 3 - 56.
12. Баренблатт Г.И. Об обрушении кровли при горных выработках / Г.И. Баренблатт, С.А. Христианович. // Изв. АН СССР, ОТН. 1955. -№11.-С. 73-86.
13. Баринова Т.Г. Об одном подходе к дискретизации геомеханических объектов при конечноэлементном моделировании / Т.Г. Баринова, JI.A. Назарова // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск: СО РАН, 1999. - С. 162 - 166.
14. Барон Л.И. Контактная прочность горных пород / Л.И. Барон, Л.Б. Глатман. -М.: Недра, 1966. 225 с.
15. Бате К. Численные методы анализа и метод конечных элементов / К. Бате, Е. Вилсон. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.
16. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов. М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.
17. Бекбулатов Т.А. Оценка устойчивости забоя подготовительной выработки в неоднородном массиве / Т.А. Бекбулатов, Ю.А. Векслер // Численные и аналитические исследования в подземном строительстве. -Апатиты, 1990. С. 39 - 43.
18. Беляев Е.В. Теория подрабатываемого массива горных пород / Е.В. Беляев. -М.: Наука, 1987. 176 с.
19. Борисов A.A. Взаимодействие выработок при разработке свит пластов / A.A. Борисов. Ленинград, 1980. - 97 с.
20. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов / A.A. Борисов. -М.: Недра, 1980. 360 с.
21. Борисов A.A. Расчеты горного давления в лавах пологих пластов /
22. A.A. Борисов. М.: Недра, 1964. - 278 с.
23. Бреббия К. Применение метода граничных элементов в технике / К. Бреббия, С. Уокер. М.: Мир, 1982. - 248 с.
24. Броек Д. Основы механики разрушения / Д. Броек. М.: Высшая школа, 1980.-286 с.
25. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычёв. -М.: Недра, 1994.-382 с.
26. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычёв. М.: Недра, 1989. - 270 с.
27. Векслер Ю.А. Кинетика разрушения массива вокруг горных выработок / Ю.А. Векслер // ФТПРПИ. 1987. - №3. - С. 29 - 35.
28. Взаимодействие механизированных крепей с кровлей / A.A. Орлов и др.. М.: Недра, 1976. - 336 с.
29. Вылегжанин В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н. Вылегжанин, П.В. Егоров,
30. B.И. Мурашев. Новосибирск: Наука, 1990. - 295 с.
31. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. / Р. Галлагер. М.: Мир, 1984. - 428 с.
32. Геомеханика = Geomechanics / J.W. Rudnicki // Int. J. Solids and Struct. 2000. - 37, № 1 - 2. - C. 349 - 358. - Англ.
33. Глушко B.T. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления / В.Т. Глушко, В.В. Виноградов. М.: Недра, 1982. -192 с.
34. Глушко В.Т. Реология горного массива / В.Т. Глушко, В.П. Чередниченко, Б.С. Усатенко. Киев.: Наукова думка, 1981. - 172 с.
35. Гмошинский В.Г. Горное давление на пологий угольный пласт в окрестности выработки / В.Г. Гмошинский // Уголь. 1957. - № 6. - С. 16 -23.
36. Голотвин А.Д. Оценка возможностей глубины зоны разрушения пород почвы пласта при выемке его лавой / А.Д. Голотвин, В.А. Белов, A.B. Матвеев // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 5. - С. 18 - 19.
37. Грицко Г.И. Прогнозирование и расчет проявлений горного давления / Г.И. Грицко, Б.В. Власенко, Г.Е. Посохов. Новосибирск: Наука, 1980.- 159 с.
38. Грицко Г.И. Экспериментально-аналитический метод определения напряжений в массиве горных пород / Г.И. Грицко, Б.В. Власенко. -Новосибирск: Наука, 1976. 190 с.
39. Демин В.Ф. Исследование напряженно-деформированного состояния горных пород в приконтурной зоне выемочных выработок / В.Ф. Демин и др.. // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 6. - С. 58 -63.
40. Динник А.Н. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок / А.Н. Динник, A.B. Моргаевский, Г.Н. Савин // Труды совещания по управлению горным давлением. М.: Изд. АН СССР, 1928. -С. 28-39.
41. Дудукалов В.П. Прогноз деформирования подготовительных выработок в опорной зоне при длительных остановках лавы / В.П. Дудукалов // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 5. - С. 15-18.
42. Дудушкина К.И. Ползучесть горных пород / К.И. Дудушкина, Г.Ф. Бобров // Разрушение и ползучесть горных пород. Новосибирск: Наука, 1970.-С. 49-64.
43. Дыскин A.B. Модель дилатансии хрупких материалов с трещинами при сжатии / A.B. Дыскин, Салганик P.JI. // Изв. АН СССР, ММТ. 1987, № 6. - С. 169- 178.
44. Егоров П.В. Геомеханика в примерах / П.В. Егоров, A.A. Ренёв, A.B. Сурков. Кемерово: Академия горных наук, 1977. - 170 с.
45. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов / Т. Екобори. Киев: Наукова думка, 1978. - 352 с.
46. Ержанов Ж.С. Закономерности деформаций ползучести горных пород Кузбасса при изгибе / Ж.С. Ержанов, JI.M. Ерофеев, А.А.Журавель // Физико- механические свойства пород и углей; под общ. ред. Г.И. Грицко. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1972. - С. 24 - 37.
47. Ержанов Ж.С. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород / Ж.С. Ержанов, Т.Д. Каримбаев. Алма-Ата: Наука, 1975. -217 с.
48. Ержанов Ж.С. Сейсмонапряженное состояние подземных сооружений в анизотропном слоистом массиве / Ж.С. Ержанов, Ш.М. Айталиев, Ж.К. Масанов. Алма-Ата: Наука, 1980. - 212 с.
49. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения / Ж.С. Ержанов. Алма-ата: Наука, 1964. - 173 с.
50. Ершов JT.B. Математические модели массива горных пород / JI.B. Ершов, И.М. Иофис, И.Б. Нейман. М.: МГИ, 1983. - 138 с.
51. Жуков В.В. Напряженно-деформированное состояние слоистого массива / В.В. Жуков, Е.В. Чернов, Г.Н. Довченко. JL: Наука, 1973. -132 с.
52. Жуков В.В. Расчет элементов систем подземной разработки по фактору прочности / В.В. Жуков. JI.: Наука, 1977. - 207 с.
53. Зборщик М.П. Механизм зонального разрушения горных пород вокруг технологических выработок / JI.C. Метлов, А.Ф. Морозов // 8 Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. -Екатеринбург: УрО РАН, 2001. С. 272 - 273.
54. Зборщик М.П. Расчет методом конечных элементов напряжений и деформаций вокруг выработки, охраняемой в обрушенных породах / М.П. Зборщик, В.В. Назимко // ФТПРПИ. 1980. - № 3. с. 32 - 36.
55. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К.Морган. -М.: Мир, 1986.-318 с.
56. Зенкевич О. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред / О. Зенкевич, И. Чанг. М.: Недра, 1974. - 240 с.
57. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике / O.K. Зенкевич. М.: Мир, 1975. -541 с.
58. Изаксон В.Ю. Массивы горных пород в окрестности выработки несимметричного сечения / В.Ю. Изаксон, А.И. Закамалдин // ФТПРПИ. -1979. -№ 3.-С. 28-33.
59. Изаксон В.Ю. Применение метода граничных интегральных уравнений в механике горных пород / В.Ю. Изаксон // Расчетные методы механики деформируемого твердого тела. Новосибирск, 1995. - С. 31.
60. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. СПб.: ВНИМИ, 1991. - 125 с.
61. Иофис И.М. Машинное моделирование деформирования блочного массива в окрестности горных выработок / И.М. Иофис, И.Л. Семичастный // Горное давление в капитальных и подготовительных выработках: сб. науч. трудов. Новосибирск, 1985. - С. 49 - 55.
62. Иофис М.А. Инженерная геомеханика при подземных разработках / М.А. Иофис, А.И. Шмелев. М.: Недра, 1985. - 248 с.
63. Исследования прочности и деформируемости горных пород / А.И. Берон и др.; под ред. А.И. Берона. М.: Наука, 1973. - 207 с.
64. Итоги работы угольной промышленности России за 2005год // Уголь. 2006. - № 3. - С. 49 - 56.
65. Каледин В.О. Численно-аналитические модели в прочностных расчетах пространственных конструкций / В.О. Каледин. Новокузнецк: НФИКемГУ, 2000.-204 с.
66. Карзов Г.П. Физико-механическое моделирование процессов разрушения / Г.П. Карзов, Б.З. Марголин, В.А. Швецова. СПб.: Политехника, 1993.-391 с.
67. Каудерер Т. Нелинейная механика / Т. Каудерер. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 777 с.
68. Кацауров И.Н. Механика горных пород / И.Н. Кацауров. М.: Недра, 1981.-166 с.
69. Качанов JI.M. Основы механики разрушения / Л.М. Качанов. М.: Наука, 1974.-311 с.
70. Качанов Л.М. Основы теории пластичности / Л.М. Качанов. М.: Наука, 1969.-420 с.
71. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения / В.И. Клишин. Новосибирск: Наука, 2002. -200 с.
72. Комиссаров C.H. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок / С.Н. Комиссаров. М.: Недра, 1983. - 237 с.
73. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1973. - 832 с.
74. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев / Ю.А. Коровкин. М.: недра, 1990. - 413 с.
75. Космодамианский A.C. Напряженное состояние анизотропных средств с отверстиями или полостями / A.C. Космодамианский. Киев: Вища школа, 1976. - 200 с.
76. Кочарян Г.Г. Движение блоков горной породы при крупномасштабных подземных взрывах. Ч. 1. Экспериментальные данные / Г.Г. Кочарян, A.A. Спивак // ФТПРПИ. 2001. - № 1. - С. 71 - 83.
77. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений: пер. с нем. / Г. Кратч. М.: Недра, 1978. - 494 с.
78. Крупенников Г.А. Горнотехнические и механико-статистические критерии выбора аналитических методов исследования проблем горной геомеханики / Г.А. Крупенников // Тр. ВНИМИ. 1970, № 76. - С. 33 - 55.
79. Кузнецов Г.Н. Исследование предельных состояний хрупкого материала в различных условиях трехосного сжатия / Г.Н. Кузнецов, М.Н. Будько // Труды ВНИМИ. 1968. - Т. 70. - С. 58 - 63.
80. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород / Г.Н. Кузнецов. М.: Углетехиздат, 1947. - 154 с.
81. Кузнецов Г.Н. Предельные состояния твердых горных пород с учетом пространственной ориентировки поверхностей ослабления / Г.Н. Кузнецов // Труды ВНИМИ. 1967. - № 43. - С. 98 - 112.
82. Кузнецов С.В. Горное давление и характерные особенности сдвижения горных пород при разработке пластообразных залежей / С.В.
83. Кузнецов, В.А. Трофимов // Тр. Междунар. науч. конф. 14-15 мая 2006г. / ИФМГП Нац. АН Кыргызской республ. Бишкек, 2006. - С. 93 - 104.
84. Кузнецов C.B. Напряженное состояние горных пород и давление на междукамерные целики / C.B. Кузнецов // ФТПРПИ. 1997. - № 5. - С. 60 - 67.
85. Кузнецов C.B. Решение основной задачи о напряжениях и смещениях вокруг отработанного по простиранию участка пласта / C.B. Кузнецов // ФТПРПИ. 2000. - № 5. - С. 24 - 28.
86. Кузнецов С.Т. Методическое пособие по изучению слоистости и прогнозу расслаиваемости осадочных пород: метод, пособ. / С.Т. Кузнецов, И.Н. Воронин. Л.: ВНИМИ, 1967. - 62 с.
87. Кузнецов С.Т. Проявление горного давления при применении механизированных крепей / С.Т. Кузнецов и др.. М.: Недра, 1966. -318 с.
88. Курленя М.В. Методы математического моделирования подземных сооружений / М.В. Курленя, В.Е. Миренков. Новосибирск: Наука, 1994.- 188 с.
89. Курленя М.В. Методы расчета подземных сооружений / М.В. Курленя, В.Е. Миренков. Новосибирск: Наука, 1986. - 232 с.
90. Курленя M.B. Напряженно-деформированное состояние горных пород в поле сил тяжести / М.В. Курленя, В.Е. Миренков // ФТПРПИ. -1995.-№6.-С. 3-8.
91. Курленя М.В. Напряженное состояние породных массивов в верхних слоях земной коры / М.В. Курленя, Г.И. Кулаков // ФТПРПИ. -1998. № 3. - С. 3 - 9.
92. Курленя М.В. О "динамическом поведении "самонапряженных" блочных сред. Ч. I: Одномерная механико-математическая модель / М.В. Курленя и др. // ФТПРПИ. 2001. - № 1. - С. 3 - 11.
93. Курленя М.В. О методе расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород с учетом контакта кровли и почвы выработанного пространства / М.В. Курленя, В.М. Серяков // ФТПРПИ. -1997.-№5. -С. 14-23.
94. Курленя М.В. Современные проблемы нелинейной геомеханики / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск: СО РАН, 1999. - С. 5 - 20.
95. Курленя М.В. Техногенные геомеханические поля напряжений / М.В. Курленя, В.М. Серяков, A.A. Еременко. Новосибирск: «Наука», 2005.-264 с.
96. Куссель В. Техника для управления производственным процессом при разработке месторождений на примере системы управления с визуализацией лавы / В. Куссель // Уголь. 2004. - № 5. - С. 9 -15.
97. Лаврик В.Г. Взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов при интенсивной отработке пологих газоносных пластов / В.Г. Лаврик, С.Р. Ногих, М.И. Радиковский. -Новокузнецк: АОУК "Кузнецкуголь", препринт № 57,1988. 13 с.
98. Леонтьев A.B. Методика подготовки данных для решения трехмерных геомеханических задач / A.B. Леонтьев, Л.А. Назаров, Л.А. Назарова // ФТПРПИ. 1997. - № 3. - С. 19-21.
99. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела / С.Г. Лехницкий. М.: Наука, 1977. - 415 с.
100. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок / Ю.М. Либерман. М.: Наука, 1969. - 118 с.
101. Линьков A.M. Гиперсингулярные уравнения в задачах о блочных системах и телах с трещинами / A.M. Линьков // Информационно-математические модели горн, предприятий. Кемерово, 1994. - С. 66 - 72.
102. Линьков A.M. Метод решения трехмерных задач о пластовых выработках и геологических нарушениях / A.M. Линьков, В.В. Зубков, М.А. Хеиб // ФТПРПИ. 1997. - № 4. - С. 3 - 25.
103. Линьков A.M. Численное моделирование деформирования пород при сжатии / A.M. Линьков, A.A. Доброскок // ФТПРПИ. 2001. - № 4. -С. 36-48.
104. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости / А.И. Лурье. М.: Наука, 1980,- 512 с.
105. Лурье А.И. Теория упругости / А.И. Лурье. М.: Наука, 1970. -940 с.
106. Методика выбора рациональных параметров технологических схем очистной выемки пологих угольных пластов гидрошахт Кузбасса. -Новокузнецк, 1988. 139 с.
107. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г.Н. Кузнецов и др.. М.: Недра, 1987. - 248 с.
108. Микромеханическая модель разрушения горных пород в условиях трехосных напряжений = Yantu gongcheng xuebao / Li Guang-ping, Tao Zhen-yu // Chin. J. Geotechn. Eng. 1995. - 17, № 1. - C. 24 - 31. - Кит.
109. Михайлов A.M. Программа расчета упругих напряжений вокруг выработки в пологопадающем пласте в трехмерной постановке / A.M. Михайлов // ФТПРПИ. 1996. - № 3. - С. 27 - 34.
110. Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е.М. Морозов, Г.П. Никишков. М.: Наука, 1980. - 256 с.
111. Мосинец В.Н. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород / В.Н. Мосинец, A.B. Абрамов. М.: Недра, 1982. - 248 с.
112. Мустафин М.Г. Оценка напряженного состояния в окрестности выработок с учетом блочного строения массива горных пород / М.Г. Мустафин // Геомеханика в горном деле: тез. докл. Междунар. конф. -Екатеринбург, 2000. С. 68 - 70.
113. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости / Н.И. Мусхелишвили. М.: Наука, 1966.-707 с.
114. Мюррель С.А. Критерий хрупкого разрушения / С.А. Мюррель // Механика горных пород. М.: Недра, 1965. - С. 359 - 372.
115. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел / А. Надаи. -М.: Мир, 1969.-863 с.
116. Назаров JI.A. Определение полей напряжений и деформаций в породном массиве на основе решения обратных задач / JI.A. Назаров, J1.A. Назарова, Э.П. Шурина // ФТПРПИ. 2001. - № 1. - С. 41 - 48.
117. Назаров JI.A. Оценка времени подготовки динамического события в блочном массиве на основе реологических моделей / JI.A.
118. Назаров, JI.А. Назарова, П.Г. Дядьков // ФТПРПИ. 2001. - № 6. - С. 13 -24.
119. Назарова Л.А. Напряженное состояние наклонно-слоистого массива горных пород вокруг выработки / Л.А. Назарова // ФТПРПИ. -1985.-№2, С. 33-37.
120. Немчин Н.П. Об учете неупругого разрыхления в теории горного давления / Н.П. Немчин // ФТПРПИ. -1971. № 3. - С. 13-18.
121. Николаевский B.H. Деформации геоматериалов и пористых сред / В.Н. Николаевский // Изв. АН СССР, ММТ. 1982, № 2- С. 92 - 109.
122. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред /
123. B.Н. Николаевский. -М.: Недра, 1984.-232 с.
124. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: пер. с англ. / Дж. Оден. М.: Мир, 1976. - 464 с.
125. Опарин В.Н. О динамическом поведении напряженных блочных сред. Ч. II: Сравнение теоретических и экспериментальных данных / В.Н. Опарин, Е.Г. Балмашнова, В.И. Востриков // ФТПРПИ. 2001. - № 5.1. C. 12-17.
126. Орехов В.Г. Механика разрушений инженерных сооружений и горных массивов / В.Г. Орехов, М.Г. Зерцалов. M.: АСВ, 1999. - 330 с.
127. Орлов А.А. Крепление и управление кровлей в комплексно-механизированном забое / А.А. Орлов. С.Г. Баранов, Б.К. Мышляев. М.: Недра, 1993.-284 с.
128. Павлова JI.Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал.-2003.-№ 1.-С. 59-63.
129. Павлова Л.Д. Геометрическая дискретизация на конечные элементы, конгруэнтные по форме и размерам структурным блокам углепородного массива / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2004. - №4. - С. 298 - 301.
130. Павлова Л.Д. Геомеханическое состояние углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок / Л.Д. Павлова, Т.В. Петрова, В.Н. Фрянов Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - 202 с.
131. Павлова Л.Д. Исследование влияния глубины залегания и мощности угольного пласта на распределение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2004.-№ 5. - С. 302 - 304.
132. Павлова Л.Д. Исследование влияния угла падения угольного пласта на распределение подрабатываемых пород кровли / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2005. - № 6. - С. 142 - 148.
133. Павлова Л.Д. Моделирование блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // ГИАБ. 2004. - № 3. - С. 202 - 205.
134. Павлова Л.Д. Моделирование геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве / Л.Д. Павлова Новокузнецк: СибГИУ 2005.-239 с.
135. Павлова Л.Д. Моделирование пространственного распределения смещений пород кровли при взаимном влиянии горных выработок на сближенных пластах / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // ГИАБ. Тематич. прил. Физика горных пород. 2006. - С. 245 - 251.
136. Павлова Л.Д. Модель блочного обрушения пород кровли при отработке свиты угольных пластов / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды Междунар. конф. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. - С. 428 - 432.
137. Павлова Л.Д. Настройка параметров расчетной модели количественного прогнозирования геомеханических процессов в разрушаемом углепородном массиве по результатам шахтных исследований / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2004. - № 2. - С. 281 - 283.
138. Павлова JI.Д. Настройка пространственной модели разрушения горных пород по результатам испытаний на контактную прочность / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 6. - С. 94 - 97.
139. Павлова Л.Д. Настройка пространственной расчетной модели определения геомеханических параметров в разрушаемом углепородном массиве / Л.Д. Павлова // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004. - № 3. - С. 6 -10.
140. Павлова Л.Д. Оценка влияния угольных целиков на распределение параметров НДС углепородного массива при отработке свиты пластов / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2005. - № 11. - С. 40 - 44.
141. Павлова Л.Д. Прогноз параметров зон разрушения подработанных пород кровли пласта на основе энергетической деформационной теории / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // ГИАБ. 2004. -№9.-С. 125- 127.
142. Павлова Л.Д. Пространственная расчетная модель блочного обрушения подработанных пород кровли угольного пласта / Л.Д. Павлова // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 5. - С. 105- 108.
143. Павлова Л.Д. Пространственная расчетная модель динамического блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Компьютерные учебные программы и инновации. 2004. - № 6 - С. 40.
144. Павлова Л.Д. Разработка алгоритма прогноза напряженно-деформированного состояния в окрестности подготовительного забоягорной выработки / Л.Д. Павлова, А.Г. Скуров // ГИАБ. 2002. - №4. -С. 125 - 126.
145. Павлова Л.Д. Расчет параметров опорного давления в угольном пласте / Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2006. - № 4. - С. 57 - 60.
146. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами / В.В. Панасюк. Киев: Наукова Думка, 1968. - 246 с.
147. Партон В.З. Динамика хрупкого разрушения / В.З. Партон, В.Г. Борисковский. М.: Машиностроение, 1988. - 239 с.
148. Партон В.З. Динамическая механика разрушения / В.З. Партон, В.Г. Борисковский. М.: Машиностроение, 1985. - 263 с.
149. Петухов И.М. Горные удары на угольных шахтах / И.М. Петухов. -М.: Недра, 1972.-221 с.
150. Петухов И.М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, A.M. Линьков. М.: Недра, 1983. - 280 с.
151. Ползучесть осадочных горных пород / Ж.С. Ержанов и др.; под ред. Ж.С. Ержанова. Алма-Ата: Наука, 1970. - 208 с.
152. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ на угольных месторождениях / Межотраслевой науч. центр ВНИМИ. СПб., 1998. - 291 с.
153. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: Сборник документов / А.И. Субботин и др.. М: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госпртехнадзора России, 2000. - 320 с.
154. Проскуряков H.M. Управление состоянием массива горных пород / Н.М. Проскуряков. М.: Недра, 1991. - 368 с.
155. Протодъяконов М.М. Гипотеза разрушения углей и пород при объемном напряженном состоянии / М.М. Протодъяконов, B.C. Вобликов // Труды ИГД АН СССР. 1955. - Т.2. - С. 125 - 128.
156. Протодъяконов М.М. Полная система реологических схем горных пород / М.М. Протодъяконов, Н.Ф. Ренжиглов // Проблемы реологии горных пород. Киев: Наукова думка, 1970. - С. 277 - 285.
157. Протодьяконов М.М. Трещиноватость и прочность горных пород в массиве / М.М. Протодьяконов, С.Е. Чирков. М.: Наука, 1967. - 108 с.
158. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов и др.. М.: Недра, 1979. - 269 с.
159. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела / Ю.Н. Работнов М.: Наука, 1979. - 744 с.
160. Работнов Ю.Н. Ползучесть ? элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. М.: Наука, 1966. - 356 с.
161. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: справ, пособие / М.М. Протодьяконов и др.. М.: Недра, 1981.- 192 с.
162. Расчет и экспериментальная оценка напряжений в целиках и краевых частях пласта угля: метод, указ. / под ред. проф. И.М. Петухова. -Ленинград: ВНИМИ, 1973. 130 с.
163. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: справ, пособие / И.М. Петухов и др.. М.: Недра, 1992. - 256 с.
164. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справ, пособие / И.М. Петухов, A.M. Линьков, B.C. Сидоров, М.Г. Мустафин. -М.: Недра, 1992.-256 с.
165. Рац М.В. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород / М.В. Рац, С.Н. Чернышев. М.: Недра, 1970. - 103 с.
166. Рева В.Н. Критерии устойчивости подземных выработок при зональной дезинтеграции горных пород / В.Н. Рева // ФТПРПИ. 2002. -№ 1.-С. 35-38.
167. Рева В.Н. Поддержание горных выработок / В.Н. Рева, О.И. Мельников, В.В. Райский. М: Недра, 1995. - 270 с.
168. Ревуженко А.Ф. Задача о формировании системы параллельных трещин в хрупком слое / А.Ф. Ревуженко, C.B. Клишин // ФТПРПИ. -2001.-№2.-С. 58-68.
169. Ревуженко А.Ф. Об учете дилатансии в основных справочных формулах механики сыпучих сред / А.Ф. Ревуженко, С.Б. Стажевский // ФТПРПИ. 1986. - № 4. - С. 13 -16.
170. Редькин В.А. Естественное поле напряжений горного массива блочной структуры / В.А. Редькин, В.В. Кулагин // Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1988.-С. 120-124. . .
171. Руппенейт K.B. Введение в механику горных пород / К.В. Руппенейт, Ю.М. Либерман. М.: Госгортехиздат, 1960. - 356 с.
172. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород / К.В. Руппенейт. М.: Недра, 1975. - 223 с.
173. Руппенейт К.В. Механические свойства горных пород / К.В. Руппенейт. М.: Углетехиздат, 1956. - 324 с.
174. Рычков Б.А. Кинематические и прочностные характеристики горных пород / Б.А. Рычков // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск: СО РАН, 1999. - С. 71 - 76.
175. Рынков Б.А. Условие текучести, дилатансия и разрушение горных пород / Б.А. Рынков // ФТПРПИ. 2001. - № 1. - С. 63 - 70.
176. Салганик Р.Л. Механика тел с большим с большим числом трещин / Р.Л. Салганик // Изв. АН СССР, ММТ. 1973, № 4. - С. 149 -158.
177. Сапожников В.Т. Предельное равновесие слоистой среды / В.Т. Сапожников // Тр. ВНИМИ. 1969, сб. 72. - С. 86 - 100.
178. Свойства горных пород и методы их определения / Е.И. Ильницкая и др.. М.: Недра, 1969. - 392 с.
179. Сдвижение горных пород и земной поверхности в главнейших угольных бассейнах СССР / ВНИМИ; под ред. М.В. Короткова. М.: Углетехиздат, 1958. - 250 с.
180. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд. М.: Мир, 1979. - 392 с.
181. Серяков В.М. Моделирование процесса деформирования подработанного горного массива / В.М. Серяков // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Новосибирск, 1995. -С. 184- 189.
182. Серяков В.М. Об одном подходе к расчету напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности выработанного пространства / В.М. Серяков // ФТПРПИ. 1997. - № 2. -С. 14-21.
183. Серяков В.М. Расчет напряжений и деформаций в слоистом массиве горных пород с помощью МКЭ / В.М. Серяков, A.C. Ягунов // Аналитические и численные исследования в механике горных пород: сб. науч. тр. ИГД СО АН СССР. Новосибирск, 1981. С. 77 - 84.
184. Серяков В.М. Расчет процессов разрушения в слоистом горном массиве / В.М. Серяков, A.C. Ягунов // ФТПРПИ. 1991. - № 3. -С. 28-35.
185. Скуров А.Г. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния углепородного массива в зоне механического разрушения угля в проходческом забое / А.Г. Скуров, Л.Д. Павлова // ГИАБ. 2002. - № 5. -С. 65 - 67.
186. Слесарев В.Д. Механика горных пород / В.Д. Слесарев. М.: Углетехиздат, 1948. - 440 с.
187. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения / В.Д. Слесарев. М.: Углетехиздат, 1948. - 156 с.
188. Слесарев В.Д. Разработка свиты пластов / В.Д. Слесарев. М.: Углетехиздат, 1948. - 184 с.
189. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды / В.В. Соколовский. -М.: Физматгиз, 1960. 244 с.
190. Соколовский В.В. Теория пластичности / В. В. Соколовский. -М.: Высшая школа, 1969. 608 с.
191. Соловицкий А.Н. Об аппроксимации блочного массива горных пород для оценки его напряженного состояния / А.Н. Соловицкий // Маркшейдерский вестник. 2003. - № 3. - С. 74 - 76.
192. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: Недра, 1975.-279 с.
193. Справочное пособие по выпускаемому и готовящемуся к серийному производству горношахтному оборудованию с оценкой его технического уровня до 2000г. / A.B. Хорина и др.. М.: ЦНИЭИуголь, 1990.- 198 с.
194. Ставрогин А.Н. Механика деформирования и разрушения горных пород / А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня. М.: Недра, 1992. - 224 с.
195. Ставрогин А.Н. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах / А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня. М.: Недра, 1985.-271 с.
196. Ставрогин А.Н. Статистические основы прочности и деформации горных пород при сложном напряженном состоянии / А.Н. Ставрогин //ФТПРПИ. 1974, № 4. - С. 3 - 29.
197. Стренг Г. Теория метода конечных элементов / Г. Стренг, Дж. Фикс. -М.: Мир, 1977. 349 с.
198. Сырников Н.М. О напряженном состоянии структурно неоднородного горного массива в окрестности подземных сооружений / Н.М. Сырников, В.Н. Родионов // ФТПРПИ. 1996. - № 6. - С. 31 - 43.
199. Сырников Н.М. Об устойчивости структурно неоднородного горного массива в окрестности подземного сооружения / Н.М. Сырников, В.Н. Родионов // Проблемы механики горных пород. СПб, 1997. - С. 409 -414.
200. Таланов A.B. Расчет деформационных свойств трещиноватых горных пород с учетом дополнительного разрушения / A.B. Таланов, Б.М. Тулинов // Изв. АН СССР, Физика земли. 1987, № 6. - С. 21 - 28.
201. Тимошенко С.П. Теория упругости: пер. с англ. / С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер. М.: Наука, 1975. - 576 с.
202. Трехмерная численная модель неодинаковых элементов для статического и динамического анализа горных пород / Lu Jun, Zhang Chuhan, Wang Guanglun // Qinghua daxue xuebao // J. Tsinghua Univ. 1996. -36, № 10.-C. 98 - 104.-Кит.
203. Трубецкой K.H. Напряженное состояние и разрушение контактов пласта с вмещающими породами при проведении очистной выработки // К.Н. Трубецкой, C.B. Кузнецов, В.А. Трофимов // ФТПРПИ. 2001. - № 4. -С. 7-16.
204. Управление горным давлением при разработке пологих пластов с труднообрушаемой кровлей на шахтах Кузбасса / С.И. Калинин и др.. -Кемерово: Кемеровское книжное изд., 1991. 247 с.
205. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев. М.: Недра, 1987. - 221 с.
206. Фармер Я. Выработки угольных шахт: пер. с англ. / Я. Фармер. -М.: Недра, 1990.-269 с. .
207. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник / Г.Г. Штумпф и др.. М.: Недра, 1994. - 447 с.
208. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела /А.П. Филин. Т.1.-М.: Наука, 1975.- 832 с.
209. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок / Г.Л. Фисенко. М.: Недра, 1976. - 272 с.
210. Хилл Р. Математическая теория пластичности: пер. с англ. / Р. Хил л М.: Гостехиздат, 1958. - 381 с.
211. Хозяйкина Н.В. Закономерности обрушения пород кровли лав, вмещающих пласт прочных горных пород / Н.В. Хозяйкина // Горн, инф.-анал. бюл. / Моск. гос. горн. ун-т. 2004. - № 1. - С. 174 - 178.
212. Хорин В.Н. Расчет и конструирование механизированных крепей / В.Н. Хорин. М.: Недра, 1988. - 255 с.
213. Цимбаревич П.М. Механика горных пород / П.М. Цимбаревич. -М.: Углетехиздат, 1948. 184 с.
214. Цыганков С.С. О преимущественных размерах и формах блоков / С.С. Цыганков // ФТПРПИ. 2000. - № 1. - С. 36 - 43.
215. Чанышев А.И. К проблеме разрушения деформируемых сред. Ч. II: Обсуждение результатов аналитических решений / А.И. Чанышев // ФТПРПИ. 2001. - № 4. - С. 57 - 66.
216. Чанышев А.И. К проблеме разрушения деформируемых сред. 4.1: Основные уравнения / А.И. Чанышев // ФТПРПИ. 2001. - № 3. - С. 53 -67.
217. Черданцев Н.В. Некоторые трехмерные и плоские задачи геомеханики / Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон // Кемерово: КузГТУ, 2004. -189 с.
218. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения / Г.П.Черепанов. -М.: Наука, 1974.-640 с.
219. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок / И.Л. Черняк.- М.: Недра, 1993. 256 с.
220. Черняк И.Л. Управление состоянием массива горных пород / И.Л. Черняк, С.А. Ярунин. М.: Недра, 1995. - 395 с.
221. Шемякин Е.И. О паспорте прочности горных пород / Е.И. Шемякин // Измерение напряжений в массиве горных пород. -Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978. Ч. 1. С. 9 - 21.
222. Шклярский М.Ф. Динамика опорного давления на пластах с труднообрушаемыми кровлями / М.Ф. Шклярский, В.П. Глушихин // Горное давление в капитальных, подготовительных и очистных выработках. Л.: ВНИМИ, 1982. - С. 50-55.
223. Якоби О. Практика управления горным давлением: пер. с нем. / О. Якоби. М: Недра, 1987. - 566 с.
224. Яковлев Д.В. Об управлении состоянием массива горных пород / Д.В. Яковлев, Ф.Н. Воскобоев, С.Т. Кузнецов // Горн. вест. 1998. - №4. -С. 104- 108.
225. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов / B.C. Ямщиков. М.: Недра, 1982. - 296 с.
-
Павлова, Лариса Дмитриевна
-
доктора технических наук
-
Новокузнецк, 2007
-
ВАК 25.00.20
- Геомеханическое обеспечение устойчивости подземных подготовительных выработок в слоистом неоднородном углепородном массиве
- Разработка метода расчёта пространственного напряжённо-деформированного состояния углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок
- Разработка методики количественного прогнозирования напряженно-деформированного состояния углепородного массива очистного забоя с учетом его циклического движения
- Прогноз параметров взаимодействующих геомеханических и газодинамических процессов при неравномерном движении очистных забоев угольных шахт
- Разработка технологических решений повышения полноты извлечения угля сближенных пластов в сложных природных и техногенных условиях шахт
