Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий

Пасечник, Иван Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий
ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий"

005010983

На правах рукописи

V ^

ПАСЕЧНИК ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНЕ ОЧИСТНЫХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 25.00.35 — «Г еоинформатика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 [/;^р 1Ш

Москва 2012

005010983

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» '

Научный руководитель

профессор, доктор технических наук Шек Валерий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Певзнер Леопид Давидович, профессор кафедры АУ МГТУ;

кандидат технических наук Филиппов Юрий Алексеевич, старший научный сотрудник ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр» РАН (ИПКОН РАН).

Ведущая организация:

Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)

Защита состоится 14 марта 2012г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.08 при Московском государственном горном университете (МГТУ) по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, дом 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 09 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.128.08

профессор, доктор технических наук

В.М. Шек

Общая характеристика работы

Актуальность. В настоящее время жизнедеятельность шахт и рудоуправлений все сложнее и сложнее представить без использования геоинформационных систем (ГИС). Причин тому множество и главная из них состоит в том, что рыночная стоимость шахты в первую очередь определяется запасами угля, а их подсчет с использованием геологической модели является одной из основных функций современных ГИС. Однако благодаря совокупности современных компьютерных технологий, опыту горных инженеров и результатам исследовательских работ по изучению горных пород область применения ГИС может быть намного шире: можно решать такие задачи, как максимизация экономических показателей производства (более точное календарное и оперативное планирование объемов работ, раскройка шахтного поля), повышение безопасности труда шахтеров, предупреждение чрезвычайных экологических ситуаций и другое. Для этого необходимо перейти от статических геологических моделей месторождений полезных ископаемых (МПИ) к динамическим моделям, отражающим процессы, протекающие в горном массиве в процессе ведения добычных работ и после их окончания.

Для осуществления данного перехода необходим метод моделирования деформации лежащей над очистными выработками свиты пластов, причем данная модель должна динамично учитывать те изменения, которые происходят с горным массивом по мере продвижения очистного комплекса в лаве. Это позволит прогнозировать развитие антропогенных процессов при выемке угля, изменяющуюся конфигурацию и параметры куполов обрушенных вышележащих пород за движущимся очистным комплексом и заблаговременно принимать меры по обеспечению безопасности ведения горных работ, дегазации выработанных пространств и решению экологических проблем, связанных с грунтовыми водами, образованием мульды проседания пород и раскрытию трещин до дневной поверхности.

Подавляющее большинство существующих методов моделирования сплошной среды ориентировано на работу с её образцами сравнительно малых размеров. Изучение искусственных воздействий на искусственно же созданные образцы не позволяет широко применять данные методы на практике, так как их результаты не учитывают всего многообразия факторов и критериев, определяющих особенности разрушения и деформации горных пород в реальных горногеологических системах. В связи с этим актуально использование ГИС-систем, изначально ориентированных на отображение всего МПИ и позволяющих решить проблему «малых образцов».

Произошедшие за последние десятилетия аварии на угольных шахтах (Распадская, Юбилейная, им. Засядько, Ульяновская, Абайская и др.), вполне вероятно, можно было бы предотвратить, если бы досконально отслеживались при ведении добычных работ процессы антропогенных изменений массивов горных пород. Косвенные данные указывают на слишком быстрое разгружение массива, что могло вызвать обрушение вышележащих горизонтов, а взрывы метана происходили вследствие его перехода в газообразное состояние и концентрации в зонах с высоким коэффициентом трещиноватости (дегазация пластов была малоэффективной из-за неточных данных о куполах обрушения и деформациях вышележащих пластов).

С учетом изложенного метода моделирования на основе ГИС-технологий, позволяющий, с достаточной степенью достоверности динамично прогнозировать развитие процессов антропогенных изменений массива, таких как обрушение непосредственной и основной кровли горных выработок, деформация вышележащей свиты пластов, сближение добычных горизонтов, раскрытие трещин, проседание поверхности с образованием мульды на дневной поверхности, является актуальном и имеет большое научное и практическое значение для функционирования горных предприятий.

трещин в зоне очистных работ за счет адекватного динамического компьютерного моделирования протекающих процессов с использованием ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование и анализ параметров горного массива и процессов внутри него, а также средств и методов имитационного моделирования;

2. Выявление принципиально важных параметров моделирования антропогенных изменений массива в зоне влияния очистной выработки; исследование структуры взаимосвязей между объектами массива;

3. Разработка классификатора объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними;

4. Разработка вероятностной имитационной модели антропогенных изменений состояния и деформирования системы элементов горного массива;

5. Формирование алгоритма моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающего порядок протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ;

6. Разработка метода моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий;

Идея и новизна работы состоит в представлении сплошной среды в зоне ведения очистных работ на базе объектно-ориентированной методологии в виде слоисто-блочной системы напластований горных пород, что впервые позволяет создавать дискретные динамические модели изменения физико-механического состояния отдельных модулей такой среды с целью предоставления лицам, принимающим управленческие решения на горном предприятии, адекватной информации об изменениях состояния анизотропной сплошной среды в зоне очистных работ.

Научные положения, выносимые на защиту.

мации системы элементов горного массива при ведении очистных работ в условиях неопределенности состояния последней;

2. Разработана вероятностная имитационная модель антропогенного изменения состояний и деформирования системы элементов горного массива, позволяющая прогнозировать развитие зоны обрушений и процессы деформирования горных пород вплоть до изменения дневной поверхности;

3. Сформирован алгоритм моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающий порядок протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ, и выбраны определяющие факторы для системы вероятностного динамического моделирования;

4. Разработан метод моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий, позволяющий описывать вероятностные динамические процессы деформации дискретных элементов пластов горных пород и рассчитать параметры растрескивания и пластического деформирования этих элементов, а также пространственно-временных изменений зон обрушения при ведении очистных работ.

Научное значение разработки заключается в обосновании и создании динамической модели, алгоритмов и метода компьютерного моделирования процессов антропогенного изменения состояния массива горных пород с целью обеспечения принятия решений по эффективному и безопасному управлению подземными горными предприятиями.

Практическое значение работы состоит в создании временной методики прогнозирования развития процессов деформирования и разрушения элементов горного массива (увеличение трещиноватости, образование куполов обрушения, сдвижение пластов, образование мульды на дневной поверхности и т.д.) в зоне ведения очистных работ, позволяющей осуществлять управление этими процессами во время и по окончании добычных работ в этой зоне.

работе горных предприятий. Осуществлен пионерный расчет деформирования напластования горных пород над выемочным столбом пласта угольной шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научного семинара кафедры АСУ МГТУ (Москва, 2010-2012 гг.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2010-2012гг.), на научно-практической конференция «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Троицк, 2009 г., призер программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («Умник»), на 7-м горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС, Россия, 2011» (Москва, 2011 г., победитель конкурса студенческих работ), на всероссийском конкурсе научноисследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011» (Новочеркасск, 2011 г).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, 7 из которых - в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 110 наименований, содержит 18 рисунков и 10 таблиц.

Основное содержание работы Процесс научного развития вопроса об изменениях напряженно-деформированного состояния твердых тел начался с трех классических теорий прочности, авторами которых были Галилей (XVI - XVII века), Мариотт (XVII век) н Кулон (XVIII век). Понятия о напряжении и деформации были установлены Коптом около 1822 г. Вместе с теорией потенциала, теорией функций комплексного переменного, вариационным исчислением и законом сохранения энергии эти понятия составили фундамент, на котором в течение XIX в. были построены начала математической теории упругости и классической гидромеханики учеными Навье, Пуассоном, Грином, Стоксом, Кирхгофом, Гельмгольцем, Сен-Венаном, Буссинеском, Максвеллом, Кельвином, Рэленом, Лява, Лэмба, М. В. Остроградским, И. С. Громеко, Н. Е. Жуковским, А. В. Гадолином, X. С. Головиным и др. Классические теории прочности не обладают достаточной общностью и

точностью. Это заставило усложнить свои поиски и обратиться к тем или иным комбинациям инвариантов напряженного и деформированного состояний, т. е. ввести в рассмотрение функции от инвариантов, выбираемые на основе каких-либо физических соображений.

Поведение горных пластов и бортов выработок при проведении очистных работ на угольных шахтах, а также их способность нести механическую нагрузку во многом определяются имеющимися в их теле трещинами, порами и другими неоднородностями. Наличие в теле неоднородности приводит к изменению его деформационных и прочностных характеристик. Данному вопросу посвящены работы ученых Ю.Ф. Коваленко, Р.В. Гольдштейна, И.И. Кайдо и других.

Возможность создания метода моделирования антропогенных изменений возникла на стыке нескольких наук и научных направлений: геологии, исследований в области изменений напряженно-деформированного состояния горного массива, геоинформатики и др. Изначально ГИС рассматривалась как автоматизированная система создания карт, но с течением времени в ее функции вошли блоки моделирования геологических объектов. Значительный вклад в развитие данных научных направлений внесли: Л.А. Пучков, JI.A. Бахвалов, В.М. Шек, Д.М. Казикаев, B.C. Тикунов, Б.А. Картозия, И.В. Баклашов, А.Д Багриновский, Ф.С. Клебанов, Е.Ф. Карпов, Р.Б. Тян, В.Я. Потемкин, К.Г. Акутин, Б.А. Клепиков, А.Г. Евдокимов, Е.Ф. Карпов, А.А. Литвиненко и др.

Выбор системы компьютерного моделирования объектов горной системы и процессов антропогенных изменений элементов анизотропной среды в зоне ведения очистных работ Известно, что в настоящее время нет пространственных моделей горнотехнических систем, построенных на слабоформализованных данных. Большинство систем компьютерного моделирования горных объектов и процессов построено на базе ГИС-технологий, позволяющих обрабатывать совместно пространственные и атрибутивные (количественные) данные о дискретных объектах и, отчасти, о их изменениях в тех или иных горно-технических процессах. Однако фрагменты (блоки) горного массива, слагающего месторождение полезного иско-

паемого ПИ (рудные тела, пласты полезного ископаемого, налегающая толща пород в пределах горного отвода), представляются в них как однородная сплошная среда с несколькими вариабельными параметрами.

Для повышения адекватности моделей сплошных сред из осадочных пород необходимо было представить последние как слоистую структуру с анизотропией

4 класса, позволяющей осуществлять пространственно-атрибутивное описание каждого выделенного пласта или пропласткка обособленно. Такими свойствами обладает среда компьютерного моделирования геологических и технологических объектов «ГеоПлюс», которая и была принята нами в качестве базовой системы моделирования слоистого горного массива в пределах исследуемого участка месторождения ПИ. Еще одним плюсом данной системы является то, что она построена на объектно-ориентированной методологии и является открытой. Это позволяет легко присоединять вновь создаваемые средства моделирования различных объектов и процессов горных систем (совокупность массивов горных пород и антропогенных объектов и процессов) к описываемой системе и использовать общие базы данных.

Наиболее актуально в настоящее время описание результатов изменения массива горных пород в пределах выемочного столба угольного пласта от его почвы до дневной поверхности вследствие ведения очистных работ (рис. 1).

Принятая базовая система компьютерного моделирования позволяет представлять угольные и породные пласты как напластование плотно смыкающихся тел без их дальнейшего стратифицирования на пропластки. Поэтому в созданных нами моделях рассматриваются элементы (блоки) деформируемых пластов с мощностью, равной мощности в этом месте того пласта, в состав которого они входят до изменений.

Для угольных шахт с системами полного обрушения горных пород в выработанное пространство (которые в настоящее время составляют большинство угольных шахт России) характерен асинхронный порядок изменений состояния элементов разрабатываемого угольного пласта и настилающей толщи пластов.

Дневная

поверхность

Вышележащая свита пластов

Отрабатываемый угольный пласт

Блоки

деформации

основной

кровлн

Рисунок 1Напластование угольных и породных пластов

Нами выделено несколько стадий их изменения:

0. Цикличная выемка полезного ископаемого;

1. Обрушение непосредственной кровли и, возможно, части маломощных

слабых пластов основной кровли вслед за каждым циклом подвижки секций механизированной крепи очистного комплекса;

2. Растрескивание и обрушение (с задержкой) пластов основной кровли и,

возможно, некоторых залегающих над ней пластов;

3. Растрескивание и проседание (с уплотнением обрушившихся элементов нижележащих пластов) крепких пластов;

4. Пластическое деформирование верхних пластов с образованием мульды на дневной поверхности.

Все физические объекты имеют реологические свойства, поэтому описанные процессы имеют активные фазы (с дискретным запуском) и фазы затухания изменений. Так как в системе моделирования используются слабоформализован-ные данные, большинство моделируемых процессов имеют вероятностный харак-

тер. Вследствие этого для моделирования исследуемых процессов используется метод имитационного моделирования (метод Монте-Карло).

Разработка классификатора объектов и процессов горной системы Как уже было сказано выше, нами выделено 4 стадий процесса деформирования среды при ведении добычных работ (0-ая стадия - цикличная выемка полезного ископаемого). В табл. 1 представлены данные о классах стадий деформации и объектов системы, возможных состояниях объектов, событиях и вероятностные зависимости для определения значений критериев состояния горного массива. В табл. 2 приведены названия основных параметров, включенных в формулы табл.1.

При достижении в процессе моделирования критического значения какого-либо критерия для определенного объекта наступает (появляется) соответствующее событие, знаменующее резкий (дискретный) переход этого объекта в другое (последующее) состояние. Как правило, такой переход вызывает изменение состояний других (смежных) объектов в окрестностях рассмотренного объекта.

Таблица 1 - Классификация процессов, объектов, событий и критериев перехода в системе описания антропогенных изменений массивов горных пород

Ха п/п Стадии Объекты / Состояния Критерии, зависимости

0 Цикличная выемка полезного ископаемого Выработки: очистной забой, вентиляционный штрек, конвейерный штрек, сбойки, перемычки Технические: очистной комбайн, скребковый конвейер, ленточный конвейер, дробилка, перегружатель, механизированная крепь Сплошная среда: грудь очистного забоя, почва пласта в забое, блоки пластов ложной кровли, блоки пластов основной кровли / поддерживаются; -не поддерживаются (обрушение); -работает/не работает; в распоре/перемещается зажатое состояние / пригрузка / разгрузка по нижней поверхности Та=/(М1,с),(сут)_(1) Р, =АР + Я,., _(м) Г = /(*),(*)_( 3) Ир =/(£,М,и.а.'1,

1 Обрушение ложной кровли Технические: механизированная крепь Сплошная среда: почва пласта в забое, блоки пластов ложной кровли, / в распоре/перемещается давление/освобождение; отслоение/частичное освобождение/ полное освобождение Р, =ДР + Р,А^(.М) С, -36(1 +вт а) + -0,7-% +10,5(1 + 8НШ)в ^ _(м) Первичный шаг обрушения пласта ложной кровли =10,5(1 + 8Ш а)е _(м) Последующие шаги обрушения пласта ложной кровли

2 Растрескивание и обрушение (с задержкой) пластов основной кровли Сплошная среда: блоки пластов ложной кровли, блоки пластов основной кровли / Отслоение/обрушение; Расслоение/растрескивание/ обрушение Р°Го г°еР = 36(1 + 8Н1 а)~~~ + -°'ф + 10,5(1 + ъта)е " _(м) Первичный шаг обрушения пласта основной кровли 10,5(1+вша)* -4 ' *е ■" _{м) Последующие шаги обрушения пласта основной кровли

2а Обрушение пластов крепких пород Сплошная среда: блоки пластов основной кровли (маломощные и мощные), блоки пластов крепких пород / Отслоение/обрушение; Расслоение/растрескивание / обрушение; сжатие блоков пород, обрушившихся раньше =134,14*(1-0,5^,)* *е^_(сут) Время протекания процесса добычи £ = й+ 2Й°Я * 3 р&Ча 4Г ,5Н-4к.л *[агЩ( г )* 2у я СТТ * аг^(—7=)]_(м) 2*4 а Положение первой линии излома слоев относительно вертикали проходящей через грудь забоя Лг0 =h*tgAJм) Дг0 = h*tgA/2J^м) Величина увеличения блоков разрушения по

мере удаления от забоя L=\IX* _(м) Размер зоны опорного давления £p=36*10-3L* *] Мт (м) V /(i+7)(i+s*na)v^ Размер зоны активного расслоения пород кровли

3 Растрескивание и проседание (с задержкой) пластов крепких пород Сплошная среда: блоки пластов крепких пород, укрупненные блоки крепких пород / Сближение пластов; пластичная деформация - изгиб; Отслоение/обрушение; Расслоение/растрескивание/ обрушение; сжатие блоков пород, обрушившихся раньше f„ =134,14*0-0,5#,)* *(Г°-,5с Jcym) Время протекания процесса добычи =h*tgA/2_(M) Величина увеличения блоков разрушения по мерс удаления от забоя (i?,) = 1/0,8**10‘3(jw) Граничная кривизна слоя (пласта) п = 2R sin2 — / , 2 Условия развития трещин в слое 2К' т' (т7„, - 2R, sin2 -) С = 2-(лш) 3(r0 + h * IgA) Величина раскрытия трещин в слое

4 Пластичное проседание пород Сплошная среда: укрупненные блоки крепких пород, укрупненные блоки пластичных пород / Сближение пластов; пластичная деформация - изгиб; сжатие блоков пород, обрушившихся раньше Tnavi =Га+ AT Jcym) Общее время протекания антропогенных изменений AT = Ta*(l~ Jcym) vn„ Время, проходящее с момента окончания добычи ПИ до момента прекращения деформаций в j-ом пласте 7Я1=Йт+АЙ+Л%_(лмО Оседание массива на уровне подрабатываемого j-ro пласта Птах -<70 *m*cosa* Максимальное оседание поверхности от подрабатываемого пласта 1

г = /,/г/3^(^”-')*

*_____Д »

($к + А)

. 1

_(лш)

_ . Ве *■'" -1

(£г1е>"--------------в.)

А фх + 2 А

Величина опускания кровли

у = { ( *

123г ЯЕ°

е —

*(<?*"” -1)х-------2-_(мм)

<рх + А

Величина отжима угля

Л=^ехр(^/г-)* уН а

*ехр(—) т

Величина коэффициента напряжений

Таблица 2 - Основные расчетные параметры

№ Наименование параметров Обозначение Ед. изм.

1 Мощность угольного пласта (общая/вынимаемая) т м

2. Угол падения пласта а град

3. Глубииа веления горных работ Н м

4. Длина лавы по падению пласта Д М

5 Половина ширины поддерживаемого крепью выработанного пространства ' г м

6 Коэффициент крепости угольного пласта {

7 Коэффициент крепости пород непосредственной кровли •

8 Коэффициент крепости пород основной кровли

9 Средняя скорость подвигания очистного забоя V м/сут

10 Отношение начального распора крепи к ее рабочему сопротивлению(по паспортным данпым ч

11 Коэффициент, учитывающий вдавливание крепи в почву пласта и смятие верхняков а

12 Количество расслоений в 1 пм пород кровли п Вд.

13 Количество стоек на 1м‘ обнаженной кровли V

14 Мощность пород непосредственной кровли М" м

Величину зависимости относительной скорости сдвижения поверхности к скорости сдвижения в толще пород определяется графически, на основе обобщений полученных по глубинным реперам фактических экспериментальных данных.

Чем больше подработанность толщи, тем меньше величина запаздывания (ДТ) между смещениями слоев пластов подрабатываемого массива.

Вероятностные значения параметров в зависимостях табл. 1 принимаются по распределениям Пуассона, для каждой итерации модельных расчетов вычисляется определенные случайные значения названных параметров. После заданного количества итерационных расчетов определяются наиболее вероятные параметры антропогенных изменений всех пластов над разрабатываемым угольным пластом.

Разработан классификатор объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними, позволяющий использовать классические методы вероятностного имитационного математического моделирования процессов деформации системы элементов горного массива при ведении очистных работ в условиях неопределенности состояния последней.

Разработанная классификация позволяет устанавливать в модели однозначные связи между объектами и процессами в пространстве и во времени.

Модель процесса деформации массива горных пород в зоне очистных работ Обрушение пород кровли при ведении очистных работ - сложный процесс, чяяиг.ятий от комплекса горногеологических и горнотехнических факторов. Условно разделив массив горных пород над и позади движущейся очистной выработкой на четыре зоны моделирования (рис. 2), полагаем: 1) все пласты над разрабатываемым угольным пластом перебираются в восходящем порядке - индекс]; 2) для каждого пласта по вероятностным зависимостям (табл. 1) соответствующей зоны деформирования находится шаг обрушения (ось X) и длину блока (ось У) с учетом его мощности в этом месте; 3) определяем степень разрыхления слоя, формируемого обрушающимися блоками ^го пласта, в выработанном пространстве; 4) для проседающих блоков пластов крепких пород находим величины оседания (ось Т)\ 5) проверяем возможность усадки кусков (блоков) первой зоны под тяжестью обрушившихся и просевших блоков пластов 2 и 3 зон (реология); 6) определяем проседание крупных блоков пластов 4 зоны с образованием мульды обрушения на дневной поверхности.

Дневная поверхность

Мульда сдвижения

Почва угольного пласта

) = 3 , к = 7 , X = іі+20

Рисунок 2,-. Модель антропогенного изменения горного массива в зоне очистных работ І - номер пласта; к - порядковый номер блока по оси У; I - время ведения добычных работ.

Разработана вероятностная имитационная модель антропогенного изменения состояний и деформирования системы элементов горного массива, позволяющая прогнозировать развитие зоны обрушений и процессы деформирования горных пород вплоть до изменения дневной поверхности.

Метод моделирования антропогенных изменений

Первым шагом метода моделирования является определение области моделирования. Область моделирования - это очистная выработка и горные напластования над ней до дневной поверхности, как было сказано выше. В качестве платформы для построения всего месторождения (в том числе и его раскроя на шахтные поля) используется геологическая модель, построенная ГИС-системой, следовательно, и область моделирования будет взята как часть данной геологической модели.

Вторым принципиальным шагом является качественное описание выбранной области моделирования. Для этого принципиально важным является использование геоинформационной системы с уровнем анизотропии не ниже 4-го, т.е. содержащей данные об элементарных участках пласта, пропластках, качественных характеристиках вмещающих пород (содержание полезных ископаемых, физикомеханические свойства и т.д.). Данные сведения необходимы для проведения расчетов и становятся основой метода моделирования.

Имея параметры зоны моделирования и качественные характеристики вмещающих пород, необходимо знать принципы взаимодействия между элементами модели. Данному вопросу посвящены труды многих исследователей упомянутых выше, но ранее не проводилось научно-исследовательских работ по созданию столь объемной динамической модели. На основе передовых разработок ряда различных научных школ, изучающих подземные процессы на горных предприятиях, на уровне очистного забоя, в пластах между очистными выработками, процессы раскрытия трещин при разгрузке массива, процесс пластичных деформаций в мощных пластах, процессы метановыделения и т.д., а также на основе натуральных исследований на шахтах Кемеровской области была создана эвристическая динамическая модель зоны влияния очистной выработки. За счет общих геологи-

ческих и геомеханических факторов различные зоны моделирования были соединены воедино, а также было определено взаимное влияние объектов модели. Главной отличительной чертой разработанной модели является то, что за счет учета изменений массива в одно и то же время во всех зонах моделирования достигается возможность отслеживания изменения состояния и поведения горных напластований на каждом шаге очистного комплекса.

Имея формализованное описание зоны влияния очистной выработки, разделив ее на отдельные зоны моделирования (как описано выше), определив функциональную взаимосвязь между элементами модели, нам удалось построить механизм моделирования в виде алгоритма вероятностного процесса антропогенных изменений массива вследствие ведения добычных работ.

Начало процессу дает старт добычных работ, отсюда минимальная величина временного интервала моделирования, равная времени одной стружки, в целом же процесс деформации протекает в две стадии: активная и оседание с запозданием. Минимальный размер вынутого куска угля равен 80 см (размер одной стружки комбайна). После выемки определенного куска вокруг очистной выработки формируется структура концентрических цилиндрических зон, характеризующихся трещиноватостью более интенсивной, чем в нетронутом массиве. Возрастание напряжения на кровлю и рост трещин, проходящих через грудь забоя, приводят к обрушению ложной кровли. Обрушение может наступить раньше и внепланово, если очистной комбайн выйдет на границу угольного пласта и вышележащего пласта горных пород.

Далее процесс обрушения ложной кровли будет повторяться Ы-ное количество раз, пока рост напряжений на основную кровлю и раскрытие трещин не приведет к формированию так называемых блоков пород обрушения кровли - обрушению основной кровли. Одновременно с обрушением ряда вышележащих пластов, образующих основную кровлю, будет протекать процесс оседанию почвы выше забоя вследствие упругой деформации горных пород. Оседание горных пород будет проходить со смещением в горизонтальной плоскости, что связано, с одной стороны с тем, что подработка пластов идет постепенно, а с другой - с

наличием углов падения (восстания) забоя относительно горизонтали. На рис. 3 представлена общая схема алгоритма моделирования антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ.

Полная система уравнений будет включать в себя общие уравнения механики деформируемого твердого тела (уравнения равновесия, геометрические уравнения и неразрывности деформаций) и физические уравнения, описывающие поведение определенной геомеханической модели (по сути - трансформацию статичной модели месторождения в динамическую). В самом общем случае решение задачи может быть сведено к нахождению координат, удовлетворяющих указанным уравнениям и граничным условиям. Интегрирование указанной системы уравнений является достаточно сложной математической задачей, и дать точное решение задачи аналитическими методами представляется возможным только в некоторых частных случаях. В других, более сложных случаях могут быть использованы приближенные аналитические методы. И наконец, наиболее очевидное решение данной задачи возможно с использованием стохастических методов.

После расчета антропогенных изменений на 1-том шаге необходимо вносить изменения в качественных характеристиках области моделирования, тем самым превращая результаты расчета состояния массива на 1+1-ом шаге, и так до прохождения конца очистного забоя. После окончания отработки очистного забоя шаги моделирования увеличиваются.

Поскольку все описываемые процессы являются слабоформализованными и отсутствует полнота данных, то очевидна необходимость в использовании генератора случайных значений, ограниченного минимально и максимально допустимым значением того или иного параметра (данное ограничение предлагается вводить на основе экспертного мнения специалистов геологических и маркшейдерских служб шахт), при проведении не менее двухсот вероятностных расчетов развития антропогенных изменений и статистическая обработка полученных результатов с целью определения наиболее вероятного сценария развития ситуации.

Рисунок 3, - Схема алгоритма моделирования антропогенных изменений в зоне влияния очистной выработки

Сформирован алгоритм моделирования антропогенных изменений апи-зотропного массива горных пород, описывающий порядок протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ, и выбраны определяющие факторы для системы вероятностного динамического моделирования.

Реализация метода моделирования антропогенных изменений

Для проверки адекватности разработанного метода на основе формул и алгоритма, приведенного в диссертации, был осуществлен экспериментальный расчет антропогенных изменений массива горных пород в зоне влияния очистной выпаботки, который был сопоставлен с прогнозами геологической службы шахты и маркшейдерскими журналами, составленными по факту. В качестве экспериментального выемочного столба был выбран участок лавы 7007 по пласту 70 при её движении в направлении от флангового путевого уклона к главным стволам шахты «Талдинская-Западная-2».

Результаты расчетов обрушения и деформации пластов приведены в табл. 3 и 4 и представлены графически на рис. 4, очистная выработка и напластования горных пород, попавшие в зону ее влияния.

Таблица 3 - Расчет деформаций горного массива в зоне очистной выработки

Сближенные пласты Вынимаемая мощность пласта 70, м Мт мощность междупластья, м Категория сближенности Значение функции /=(р:)

70-73 4,5 36 Сближен. неподработ. 0,067

70-77 4,5 136 Сближен. неподработ. 0,063

70-78 4,5 192 Не сближен. 0,07

Таблица 4 - Расчет параметров процесса сдвижения массива

Подрабатываемый пласт 73 77 78

Оседание почвы пласта, м 3,9 2,9 2,6

Продолжительность активной стадии процесса сдвижения, сут. 9 18 20

Величина сдвиговых с! л„„ 177 136 113

деформаций по контактам между слоя- ё ост. ми, мм I 60 46 38

Первичный шаг обрушения на уровне подрабатываемого пласта, м 92 98 106

Вторичный шаг обрушения на уровне подрабатываемого пласта, м 26 32 40

Величина раскрытия трещин по простиранию, мм у монтажной камеры 0 0 0

при устан. обрушении 5 0 0

у демонтажной камеры 105 30 5

Раскрытие трещин со стороны восстания лавы, мм 112 0 0

Раскрытие трещин со стороны падения лавы, мм 140 11 0

Рисунок 4 а,- Состояние горного массива в начале добычных работ

Рисунок 4 б, - Состояние горного массива в конце добычных работ

В результате пионерного расчета деформирования напластований горных пород над выемочным столбом пласта угольной шахты на основе разработанного метода и 111 ПІ «ГЕО+» получен результат, точность которого составила порядка

60-65%. Подобный уровень точности прогнозирования является достаточно высоким и превосходит существующие методики.

Разработанный метод моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий, позволил спрогнозировать динамические процессы деформации дискретных элементов пластов горных пород. Рассчитанные параметры растрескивания и пластического деформирования элементов, а также пространственно-временных изменений зон обрушения при ведении очистных работ адекватны и подтвердились результатами полевых исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу шахты «Талдинская-Западная-2» ОАО «СУЭК» г. Киселевска Кемеровского угольного бассейна в целом и геологической службе в частности за помощь и содействие в проведении натуральных исследований и сборе необходимого материала для диссертации.

Заключение

В диссертационной работе решена научная задача по обоснованию и создание метода моделирования антропогенных изменений горного массива в зоне очистной выработки на основе ГИС-технологий. Данный метод является универсальным и может применяться на угольных шахтах, для которых созданы геологические модели месторождений полезных ископаемых с высоким уровнем анизотропии, т.к. принципиально важным остается вопрос полноты изначальных данных для моделирования.

Основные научные и практические результаты, полученные автором в ходе выполнения работы:

1. Определены минимальные и достаточные параметры горного массива необходимые для построения модели массива в зоне влияния очистной выработки. Создан классификатор объектов и процессов, за счет которого формализованы протекающие подземные процессы и, за счет которого стало возможно использовать классические методы вероятностного имитационного математического моделирования процессов деформации системы элементов горного.

2. Разработана вероятностная имитационная модель антропогенного изменения состояний и деформирования системы элементов горного массива, позволяющая прогнозировать развитие в зоне обрушений и процессы деформирования горных пород вплоть до изменения дневной поверхности.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих трудах:

1. Пасечник И.А. Моделирование антропогенных изменений горного массива на основе ГИС-технологий // Горный Информационно-аналитический бюллетень -2011. №10 (препринт). - с. 3 -10.

2. Пасечник И.А, Шек В.М. Анализ методов моделирования процессов обрушения горных пород при подземной добыче полезных ископаемых // Горный Информационно-аналитический бюллетень -2010. № 6. с. 194 -198.

3. Шек В.М., Пасечник И.А. Классификатор объектов угольной шахты для задач моделирования деформаций горного массива в процессе ведения очистных работ. // Горный Информационно-аналитический бюллетень -2011. - ОВ № 6, с. 349-357.

4. Шек В.М., Пасечник И.А. Компьютерное моделирование процессов обрушения горных пород в угольных шахтах // Горный Информационноаналитический бюллетень -2010. № I.e. 159 -165.

5. Шек В.М., Пасечник И.А. Моделирование обрушения горных пород в очистных забоях угольных шахт // Горный Информационно-аналитический бюллетень - 2010. - ОВ № 5, с. 363 -368.

6. Пасечник И.А., Шек В.М. Модели деформации свиты горных пластов при очистных работах. // Горный Информационно-аналитический бюллетень -2011. ОВ6, с. 221-227.

7. Пасечник И.А. Применение ГИС-систем при решении экологических проблем в районах угольных шахт. // Горный Информационноаналитический бюллетень 2011. - ОВ № 6, с. 215-220.

8. Пасечник И.А. Инновационные решения в вопросах моделирования деформации массива горных пород, ослабленных очистной выработкой It-М., Minex Russia, 2011г.

Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в организации и непосредственном участии в выполнении исследований, анализе и обобщении результатов, в разработке алгоритмов и метода моделирования.

Подписано II печать 08.02.2012. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1.0 м. л. Тираж 100 эки. Заказ № 2456

/\\ ИЗДАТЕЛЬСТВО

НЗЙ МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пасечник, Иван Александрович, Москва

61 12-5/2625

Московский государственный горный университет

25.00.35 - «Геоинформатика»

На правах рукописи

Пасечник Иван Александрович

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук Шек Валерий Михайлович

Москва-2012

Аннотация

В данной диссертационной работе описано создание метода моделирования антропогенных изменений, происходящих в массиве горных пород в зоне влияния очистной выработки. В процессе создания метода моделирования задача выбора инструментальных средств была решена в пользу геоинформационных систем (ГИС-систем) и имитационного моделирования.

В работе осуществляется представление сплошной среды в зоне ведения очистных работ в виде слоисто-блочной системы напластования горных пород, что впервые позволяет создавать дискретную динамическую модель изменения физико-механического состояния отдельных элементов такой среды.

Также в данной работе представлено:

1) анализ геомеханических процессов в зоне очистных работ;

2) анализ средств моделирования геомеханических процессов;

3) классификатор объектов сплошной среды;

4) алгоритм моделирования антропогенных изменений;

5) временная методика моделирования процессов в зоне очистной выработки.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит: 103 страницы печатного текста, содержит 20 рисунков и 10 таблиц. Основные и второстепенные положения данной диссертации опубликованы автором в работах в журналах из перечня ВАК Минобразования России и включены в список использованной литературы.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу шахты «Талдинская-Западная-2» ОАО «СУЭК» г. Киселевска Кемеровской области, в целом, и геологической службе в частности, за помощь и содействие в проведении натуральных исследований и сборе необходимого материала.

Список использованной литературы содержит 110 наименований.

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

1. Анализ средств и методов прогнозирования геомеханических процессов на угольных шахтах.....................................................................................................9

1.1 Геомеханические процессы на шахтах и рудниках.......................................9

1.2 Существующие методы описания геомеханических процессов................16

1.3 Анализ инструментальных средств моделирования ...................................22

1.4 Цели и задачи исследования..........................................................................29

2. Исследование методов геоинформационного моделирования сплошных сред..........................................................................................................................30

2.1 Методы геомеханического моделирования..................................................30

2.2 Анализ средств моделирования геомеханических процессов....................35

2.3 Разработка классификатора объектов сплошной среды.............................40

2.4 Построение модели процесса деформации массива горных пород при ведении добычных работ......................................................................................48

3. Разработка алгоритма и метода моделирования антропогенных изменений горного массива.....................................................................................................52

3.1 Моделирование активной стадии процесса сдвижения и сдвижения с запаздыванием.......................................................................................................53

3.2 Моделирование шага обрушения ложной и основной кровли в очистном забое........................................................................................................................56

3.3 Моделирование опускания со сдвигом пород кровли.................................60

4. Реализация метода моделирования, выработка методики моделирования. 71

4.1 Пионерный расчет деформирования напластований горных пород..........71

4.2 Временная методика моделирования............................................................88

Заключение.............................................................................................................91

Список использованной литературы...................................................................93

Введение

Актуальность. В настоящее время жизнедеятельность шахт и рудоуправлений все сложнее и сложнее представить без использования геоинформационных систем (ГИС). Причин тому множество и главная из них состоит в том, что рыночная стоимость шахты в первую очередь определяется запасами угля, а их подсчет с использованием геологической модели является одной из основных функций современных ГИС. Однако, благодаря совокупности современных компьютерных технологий, опыту горных инженеров и результатам исследовательских работ по изучению горных пород область применения ГИС может быть намного шире: можно решать такие задачи, как максимизация экономических показателей производства (более точное календарное и оперативное планирование объемов работ, раскройка шахтного поля), повышение безопасности труда шахтеров, предупреждение чрезвычайных экологических ситуаций [18] и другое. Для этого необходимо перейти от статических геологических моделей месторождений полезных ископаемых (МПИ) к динамическим моделям, отражающим динамические изменения, протекающие в горном массиве в процессе ведения добычных работ и после их окончания.

Подавляющее большинство существующих методов моделирования сплошной среды ориентировано на работу с её образцами сравнительно малых размеров. Изучение искусственных воздействий на искусственно же созданные образцы не позволяет широко применять данные методы на практике, так как их результаты не учитывают всего многообразия факторов и критериев, определяющих особенности разрушения и деформации горных пород в реальных горно-геологических системах. В связи с этим актуально использование ГИС-систем, изначально ориентированных на отображение всего МПИ и позволяющих решить проблему «малых образцов».

С учетом изложенного, задача разработки метода моделирования на основе ГИС-технологий, позволяющего, с достаточной степенью достоверности динамично прогнозировать развитие процессов антропогенных изменений массива, таких как обрушение непосредственной и основной кровли горных выработок, деформацию вышележащей свиты пластов, сближение добычных горизонтов, раскрытие трещин, проседание поверхности с образованием мульды на дневной поверхности, является актуальной и имеет большое научное и практическое значение для функционирования горных предприятий.

Цель работы заключается в информационном обеспечении эффективных и безопасных условий функционирования горных систем в части управления изменениями массивов горных пород и прогнозирования образованием полостей и трещин в зоне очистных работ за счет адекватного динамического компьютерного моделирования протекающих процессов с использованием ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

3. Разработка классификатора объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними;

5. Формирование алгоритма моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающего динамику протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ;

6. Разработка метода моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий;

Идея и новизна работы состоит в представлении сплошной среды в

зоне ведения очистных работ на базе объектно-ориентированной

методологии в виде слоисто-блочной системы напластований горных пород,

что впервые позволяет создавать дискретные динамические модели

изменения физико-механического состояния отдельных модулей такой среды

с целью предоставления лицам, принимающим управленческие решения на горном предприятии, адекватной информации об изменениях состояния анизотропной сплошной среды в зоне очистных работ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан классификатор объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними, позволяющий использовать классические методы вероятностного имитационного математического моделирования процессов деформации системы элементов горного массива при ведении очистных работ в условиях неопределенности состояния последней;

Реализация результатов работы. Разработанные модели, алгоритм и метод динамического имитационного моделирования используются для создания системы компьютерного моделирования изменений массивов горных пород при работе горных предприятий. Осуществлен пионерный расчет деформирования напластования горных пород над выемочным столбом пласта угольной шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научного семинара кафедры АСУ МГГУ (Москва, 2010-2012 гг.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2010-2012гг.), на научно-практической конференция «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Троицк, 2009 г., призер программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («Умник»), на 7-м горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС, Россия, 2011» (Москва, 2011 г., победитель конкурса студенческих работ), на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011» (Новочеркасск, 2011 г).

1. Анализ средств и методов прогнозирования геомеханических процессов на угольных шахтах

1.1 Геомеханические процессы на шахтах и рудниках

Масштабная разработка месторождений полезных ископаемых сопряжена с мощным техногенным воздействием на земную кору. Длительные сроки эксплуатации месторождений, большие объемы перемещаемых пород, концентрация добычи на ограниченных территориях - все это способствует нарушению первоначального напряженно-деформированного состояния земной коры на обширных территориях. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами, такими как тектонические подвижки по структурным блокам, естественные землетрясения, возникают так называемые наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью человека [20, 21, 27]. Такие процессы по силе их проявления сопоставимы с естественными, а их опасность усугубляется тем, что они происходят в областях концентрации экономической деятельности человека. Каждая из форм проявления наведенных геомеханических процессов способна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в том числе экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции, химические предприятия.

В качестве факторов техногенного воздействия человека на земную кору выступают либо перемещения масс горных пород: выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения в отвалы, либо нарушение гидрогеологического режима в связи с откачкой подземных вод. Источником формирования наведенных геомеханических процессов является нарушение первоначального равновесия в напряженном состоянии верхней части земной коры в результате добычи полезного ископаемого. Вторичное поле напряжений

формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве и за счет изостатического нарушения равновесия вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках. При добыче твердых полезных ископаемых сопутствующими факторами выступают откачка подземных вод, образование депрессионных воронок.

По своей сути, нарушение равновесия напряженно-деформированного состояния массива - это разрушение твердых тел [23, 26]. Разрушение твердых тел происходит вследствие их деформирования под действием предельных растягивающих, сжимающих и касательных напряжений. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой происходит рост трещин и нарушается его целостность, то наступает необратимое разделение тела на части. Под разрушением твердого тела понимается исчерпание его несущей способности, которое происходит вследствие развития трещин. Способность горной породы сопротивляться деформированию без нарушения сплошности - прочность, а способность сопротивляться росту трещин — трещиностойкость [94].

В зависимости от характера распределения напряжений процесс разрушения, когда монолитное тело теряет сплошность и разделяется на отдельные составляющие, бывает только двух типов: отрывом и сдвигом. Следует иметь в виду, что на образованных при разрушении свободных поверхностях обязательно действуют растягивающие или касательные напряжения; при этом внешняя нагрузка могла быть сжимающей. В качестве примера можно привести лабораторные испытания образцов горных пород в условиях сжатия между плитами пресса, при которых определяют базовую прочностную характеристику — предел прочности на сжатие. Несмотря на то, что внешняя нагрузка является сжимающей, образец разрушается под действием касательных и растягивающих напряжений, действующих на площадках разрушения. Что касается варианта с компонентами сжимающих

на

Информация о работе

Пасечник, Иван Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2012
ВАК 25.00.35

Диссертация

Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы