Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт

Мустафин, Мурат Газизович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт"

На правах рукописи

МУСТАФИН Мурат Газизович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ

С РАЗРУШЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение пород взрывом,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2003

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ»

Научный консультант ■

Официальные оппоненты.

академик РАЕН,

доктор технических наук, профессор Петухов ИгиатнП Макарович

доктор технических наук, профессор Фадеев Александр Борисович

доктор технических наук, профессор Козырев Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор Зубов Владимир Павлович

Ведущая организация - ОАО «Воркутауголь»

Защита диссертации состоится « 53 » октября 2003 г. в //ч. на заседании Диссертационного совета Д 002.108.01 при Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., 82, зал заседаний Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан « а » сентября 2003 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических наук; профессор

ШИК В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение безопасных условий ведения горных работ является приоритетной составляющей эффективности производства в целом. При подземных разработках большую опасность представляют динамические проявления горного давления. Ликвидация их последствий существенно увеличивает стоимость добычи полезного ископаемого и может сделать ее нерентабельной. Одной из самых катастрофичных форм разрушения пород являются горные удары, возникновение которых обусловлено реализацией сложного геомеханического процесса.

Впервые в нашей стране проблема предотвращения горных ударов возникла в связи с их мощными проявлениями в 1940-х годах в Кизелов-ском угольном бассейне. В результате комплексных исследований ВНИМИ, которые были выполнены в 50, 60-х годах прошлого столетия и охватывали широкий спектр геологических и горно-технических условий разработки угольных пластов, созданы эффективные меры борьбы с горными ударами на угольных пластах, обеспечившие значительное уменьшение их количества.

Вместе с тем с начала 1980-х годов в Донбассе, а затем в Карагандинском угольном бассейне в массовом порядке стали возникать динамические разрушения в почве выработок, в ряде случаев, они имели катастрофический характер. В этой связи весьма остро встала проблема борьбы с этими динамическими явлениями. С 1990-х годов эта проблема возникла на Вор-кутском угольном месторождении, где все случаи произошли в подготовительных выработках. Наблюдался такой вид динамических разрушений пород на многих угольных шахтах России и за рубежом, и к настоящему времени их количество исчисляется сотнями. Причем, как правило, регистрируются лишь те случаи, которые нанесли значительный вред производству или связаны с человеческими жертвами.

ВНИМИ с 1982 года ведет целенаправленные исследования по актуальной проблеме борьбы с динамическими разрушениями в почве выработок. При этом используется выработанный в процессе изучения горных ударов и выбросов и ставший традиционным дифференцированный подход, при котором динамические разрушения разделяют по причинам, вследствие которых они произошли, и главное внимание уделяется широкому спектру этих разрушений, возникающих в результате давления горных пород, - горным ударам с разрушением почвы выработок.

В результате анализа условий, в которых происходили динамические разрушения в почве выработок, установлено, что большинство случаев проявлений зарегистрировано в подготовительных выработках. При этом они возникают либо при проведении подготовительной выработки на некотором расстоянии от ее забоя, либо в уже пройденной выработке при влиянии соседних разработок. Из этого вытекает, что при проведении и эксплуатации

огического строе-

подготовительной выработки в силГ

ния породного массива и посюянного изменения горно-технической ситуации необходим прогноз горных ударов, который должен учитывать эти вариации и выполняться в оперативном порядке.

Изучение причин возникновения горных ударов с разрушением почвы иодгоювительных выработок показало, что связаны они с определенным соогношением параметров выработки и слоисюсти пород почвы. При этом в непосредственной почве должен залегать прочный слой породы, который подобно перекрытию в строительных конструкциях сдерживает возникающие нагрузки. В случае формирования в нем напряжений, отвечающих предельным значениям для данной породы, возможен горный удар. Следо-ва1ельно, создание надежных мер по прогнозу и предотвращению рассматриваемого вида горных ударов связано с определением напряженно-деформированного состояния прочного слоя в почве подготовительной выработки.

Несмотря па большое количество работ, посвященных данной проблеме, вопрос о напряженно-деформированном состоянии прочного слоя в почве подготовительной выработки рассмотрен недостаточно. Известные решения основаны на имитации выработки путем задания напряжений на полупространстве (полуплоскости), поэтому не учитывают ряд важных моментов данной проблемы. Например, какова роль параметров слоистости боковых пород и кровли, формы сечения выработки, угла падения пород, а также различных горно-технических факторов. Отсутствуют решения данной задачи в нелинейной постановке, без которого затруднительно описание механизма разрушения прочного слоя. Не в полной мере остается освещенным важный вопрос об энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя, по величине которой можно судить о его последствиях. В силу отмеченных обстоятельств, свидетельствующих о неизученности механики этого вида горных ударов и факторах, инициирующих их проявления, научно-прои!водственная проблема предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках требует своего решения.

Мгновенный характер реализации механизма разрушения пород, свойственный динамическим явлениям, обусловил использование опосредованных методик, позволяющих предвидеть возможные разрушения. Поэтому широкое применение для их изучения нашли расчетные методы оценки напряженно-деформированного состояния пород. Однако при этом качество решения задачи о напряжениях в прочном слое почвы подготовительной выработки в значительной степени зависит от возможностей используемых вычислительных средств. По этой причине ранее использовались упрощенные расчетные схемы, не позволявшие рассматривать взаимодействие породных слоев в системе «выработка-вмещающие породы».

Массовое производство компьютеров широкого потребления, начавшееся в конце 1980-х годов, стремительный рост их мощности и программного обеспечения вооружило специалистов не только эффективным инструментом вычисления сложных математических формул, что до недавнего

времени считалось достаточным условием для продвижения исследований, но равно и средством для разработки автоматизированных систем моделирования изучаемых объектов и процессов. Последнее определяет новый качественный уровень средств исследований, но предполагает решение ряда научно-технических вопросов по созданию специфических программных модулей, планомерно реализующих методы по построению объекта и окружающей среды, а также описанию его поведения при различных граничных условиях. Многие годы из-за отсутствия таких возможностей использование эффективного метода конечных элементов было весьма трудоемким.

Решение данной научно-производственной проблемы возможно на основе разработки и последующего применения при исследованиях и прогнозировании настоящих горных ударов метода компьютерного моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, включающего в себя реализацию метода конечных элементов применительно к задачам теорий упругости и деформационной прочности и позволяющего для различных геологических и горно-технических условий изучать поведение прочного слоя в почве подготовительной выработки с учетом взаимодействия породных слоев в системе «выработка-вмещающие породы».

Диссертация представляет собой обобщение и развитие исследований по данной проблеме, выполненных по [ематике научно-исследовательских работ ВНИМИ, в которых автор последовательно участвовал как исполнитель, отвектвенный исполнитель и руководитель рабок «Проведение опытной эксплуатации способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана» (№ ГР 01820074526. - 1985); «Исследования напряженно-деформированного и газогидродинамического состояния защищаемых пластов и вмещающих пород с помощью региональных наблюдательных станций, физическою и магматического моделирования» (№ ГР 01840060054. -1985); «Разработка способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана из надработанного горного массива в выработки шахт» (№ ГР 01820074526. - 1986); «Внедрение способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана» (№ ГР 01820074526. - 1986); хоздоговоры с ОАО «Воркутаутль» по теме предотвращения динамических разрушений почвы выработок (1992-2002); «Разрабо1ка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы в подготовительных выработках» (Государственный котракт№ 98-02-3196. - 1999).

Цель работы - создание научных основ прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы подготовительных выработок путем изучения напряженно-деформированного состояния массива, вмещающего подготовительную выработку, в почве которой залегает прочный (несущий) слой породы, обеспечивающих за счет применения инженерных методов повышение безопасности ведения горных работ.

Основная идея работы состоит в том, чю напряженно-деформированное состояние прочного слоя в почве подготовительном выработки можно определяв для различных геологических н горно-технических условий с учетом нафузок, формирующихся в системе «выра-ботка-вмещаюшие породы», и нелинейности процесса их деформирования путем применения компьютерной технологии моделирования, в основе которой реализация метода конечных элементов применительно к задачам теорий упругости и деформационной прочности.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели предусмо!-рено решение следующих основных задач:

- опираясь на фактические данные произошедших горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, с применением компьютерного моделирования исследовать закономерности поведения прочного слоя в почве выработки, установить основные влияющие факторы и усовершенс1вова1ь модель условий, в которых формируется динамическое явление;

- исследовать процесс нелинейного деформирования прочного слоя в почве подготовительной выработки, установить механизм разрушения прочного слоя при различных условиях его нагружения и на этой основе разработать принципы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках;

- исследовать закономерности накопления энергии упругих деформаций пород в области влияния подготовительной выработки и разработать методики по оценке энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя в ее почве, и динамичности его разрушения;

- разработать на основе метода конечных элемешов компьютерную технологию моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, позволяющую учитывать геологическое строение массива, его нарушенность горными выработками произвольной формы, и нелинейный характер деформирования пород.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: анализ, интерпретацию и обобщение фактических данных и литературных источников по настоящей проблеме; экспериментальные исследования деформирования пород в натурных условиях; компьютерное моделирование процесса до- и запредельного деформирования массива горных пород, базирующееся на методах механики, вычислительной математики и программирования; обратные расчеты (реконструкция) для уточнения механических характеристик пород.

Научные положения, выносимые на шщиту

Адекватность модели очагов горных ударов с разрушением пород почвы подготовительных выработок существенно возрастает при рассмотрении системы «выработка-вмещающие породы» и учете нелинейного деформирования породных слоев. При этом:

■ кает у выработок с прямоугольной формой сечения, а наименьшая - у выработок круглого сечения.

2. Прочный слой в почве подготовительной выработки может разрушиться с эффектом горного удара или квазиплавно. Форма разрушения зависит от величин напряжений, действующих вдоль прочного слоя, отражающих степень его изгиба и сжатия, и касательных, возникающих в нем у границ выработки. Горный удар возможен при условии разрушения прочного слоя у границ выработки. При этом от уровня напряжений, действующих в прочном слое в продольном направлении, зависит его сила.

3. На напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки влияет жесткость боковых пород. С ее увеличением в прочном слое у границ выработки возрастают касательные напряжения и соответственно опасность горного удара. Снижение жесткости боковых пород у контура выработки может быть использовано в качестве меры предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготови-1сльны\ выработках.

4. Возникновение горного удара с разрушением почвы подготовительной выработки зависит от отношения ширины выработки к мощности прочного слоя, залегающего в ее почве. Наибольшая опасность его проявления существует, когда величина этого отношения находтся в ишервапе от2 до 6.

5. Ориеншровочные оценки динамичности возможного разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки можно получать на основе подсчета энергии упругого деформирования вмещающих пород. При этом, чем больше превышение энергии, расходующейся на деформирование пород почвы выработки, над энергией, запасаемой в прочном слое, тем выше эффект разрушения следует ожидать.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

-фактическими данными о 118-ти случаях динамических разрушений в почве подготовительных выработок, произошедших в Кизеловском, Донецком, Карагандинском и Печорском угольных бассейнах;

- применением при изучении напряженно-деформированного состояния пород фундамешальных принципов: о сохранении механической энергии, на котором основан метод конечных элементов, и о запредельном деформировании пород, используемого посредством деформационной теории прочности;

-соответствием решений известных задач геомеханики, полученных по разработанной компьютерной технологии моделирования, с теми, по которым имеются точные аналитические решения;

- подобием моделируемого процесса деформирования пород - реальному, установленному с помощью данных натурных наблюдений;

- положительными результатами промышленных испытаний разработанных практических рекомендаций по борьбе с данным видом горных ударов, проведенных в различных геологических и горно-технических условиях эксплуатации подготовительных выработок.

Научная повита работы

1. Разработана компьютерная технология моделирования напряженно-деформированного состояния прочного слоя в почве подготовительной выработки, позволяющая учитывать нелинейный характер деформирования пород, разнообразные горно-технические и геологические условия ее заложения.

2. Установлены новые зависимости, отражающие влияние основных геологических и горнотехнических факторов на напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки, полученные при рассмотрении системы «вырабо1ка-вмещающие породы» и позволившие усовершенствовать модель условий, в которых формируется рассматриваемое динамическое явление. Обнаружено, что влияние формы сечения выработки на напряжения в прочном слое, вызывающие его изгиб, существенно при сравнении выработок с плоской и дугообразной поверхностью ее основания. С увеличением угла залегания пород и расстояния между прочным слоем и выработкой эта напряженность снижается. На напряженное состояние прочного слоя влияет жесткость боковых пород выработки. Чем она больше, тем выше нормальные нагрузки на прочный слой в заделке и касательные напряжения в нем у границы выработки. Влияние угольного пропластка в почве выработки существенно в пределах ширины подготовительной выработки. Дано обоснование и предложен принцип теоретического описания формирования очагов настоящих горных ударов вблизи забоя подготовительной выработки.

3. Обоснованы прогнозные показатели, определяющие склонность пород почвы к горным ударам с разрушением почвы в подготовительных выработках. К прочным слоям преимущественно следует относить породы скальной группы. Наибольшая напряженность прочного слоя, характеризующая его изгиб, возникает при отношении ширины выработки к его мощности, составляющем интервал от 2 до 6.

4. Исследован процесс нелинейного деформирования прочного слоя в почве подготовительной выработки. Установлен механизм горных ударов с разрушением почвы подготовительной выработки. Для того, чтобы разрушение прочного слоя произошло в виде горного удара, необходимо достижение в нем критических напряжений, вызывающих, с одной стороны, изгиб со сжатием прочного слоя, а с другой, - сдвиговые деформации у границы выработки. Показано отличие протекания процесса разрушения прочного слоя при постепенном его нагружении, и когда относительно большая па-грузка задастся разово. В одних и тех же геологических условиях заложения выработки в первом случае разрушение прочного слоя может протекать квазиплавно, а во втором - привести к горному удару. Обнаружено

также, что разрушение прочного слоя при моделировании процесса с использованием диаграммы запредельного деформирования данной породы (прочного слоя) в виде идеальной хрупкости наступает при нагрузках примерно на 30 % меньших, чем для случая, когда запредельное поведение прочного слоя принимается в виде идеальной пластичности.

5. Разработаны методики оценки уровня -энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя в почве подготовительной выработки, и динамичности его разрушения, позволяющие учитывать аккумулирование энергии упругого деформирования пород во всей области влияния выработки.

6. Разработан метод прогноза горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, состоящий из двух этапов. Сначала на основе рассмотрения соотношений мощности прочного слоя и ширины выработки определяется потенциальная опасность динамического явления, а на втором, этапе при положительном результате первого, расчетным способом с использованием компьютерной технологии моделирования прогнозируется возможность горного удара для конкретной горно-техничсской ситуации.

7. Предложены и научно обоснованы новые значения параметров и принципы создания мер по предотвращению горных уларов с разрушением почвы подготовительных выработок, опирающиеся на установленный механизм и метод прогноза динамического явления, физическая сущность которых состоит либо в снижении напряженности прочного слоя (например, за счет: изменения размеров и (или) положения выработки; разгрузки вмещающих пород вследствие предварительной над- подработки; уменьшения жесткости боковых пород), либо в устранении экранирующего эффекта прочного слоя путем его разупрочнения.

Лично автором разрабо1ан системный подход решения настоящей проблемы, включающий создание средства исследований, проведение тео-решческих и эксперимешальпых исследований и промышленную проверку их результатов; разработана компышерная технология моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния; усыновлено влияние новых геологических и горно-технических факторов на напряженность прочного слоя в почве подготовшельпой выработки; проведено компьютерное моделирование нелинейного процесса деформирования пород и установлены возможные механизмы разрушения прочного слоя в почве подюговительной выработки; осуществлена подготовка и проведены экспериментальные исследования на одном из промышленных объекюв; разработан метод прогноза и предложены новые подходы к созданию мер по предотвращению рассмафиваемого типа горных ударов; разработана методика оценки энергии, выделяющейся при горных ударах с разрушением почвы в подготовительных выработках.

Научное шачвпие рабош состоит в развитии теории методов борьбы с динамическими явлениями за счет раскрытия закономерности деформирования и разрушения пород, обуславливающей возникновение одной из

форм динамического проявления горного давления в виде горного удара с разрушением почвы подготовительной вырабожи.

Практическое значение работы заключается в разработке:

- принципов прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, которые могу! бьпь распрос!ранены в широком диапазоне геологических и горно-технических условий разработки на другие типы выработок;

- методики оценки энергии, выделяющейся при рассматриваемом типе горных ударов, позволяющей использовать ее при совершенствовании энергетической классификации динамических явлений; ^

- компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его ^ напряженно-деформированного состояния, которая может быть использована

при решении ряда вопросов геомеханикп как оперативное средство оценки геомеханической обстановки конкретного региона, а также при создании специализированных информационных, экспертных или мопигоришовых сиаем.

Реалтация работы. Разработанные на основе настоящих исследований рекомендации используются для прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением почвы подюювтельных выработок на Воркутском угольном месторождении.

Результаты исследований и практические рекомендации автора вошли составной частью в следующие нормативно-методические документы:

Каталог динамических разломов почвы горных выработок па угольных шахтах (дополнение к каталогу 1983 г.). - Л.: ВНИМИ, 1986. - 88 с.

Методические указания по расчету напряжений в зонах влияния очистных выработок. - Л., 1989.-56 с. (М-во угольной пром-сти СССР, ВНИМИ).

Перспективные геомеханнческне схемы регионального управления выбросоопасным состоянием массива при разрабо1ке свит угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна. - Л., 1991. - 54 с. (М-во угольной пром-сти СССР, ВНИМИ).

Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидоров и др. - М.: Недра, 1992. - 256 с.

Управление геомеханическим состоянием массива горных пород. -СПб.: ВНИМИ, 1994.-259 с.

Временное руководство и методика проведения промышленных испытаний способа предотвращения динамического разрушения почвы подготовительных выработок (1996 г., Минтопэнерго РФ, ВНИМИ, ОАО «Воркутауголь»),

Инструкция по безопасному ведению горных работ па шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (1999 г., Минэнерго РФ, РАН, ВНИМИ).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции «Управление газовыделением и дегазация угольных шахт» (Макеевка, 1985 г.); Всесоюзном семинаре по

измерению напряжений в массиве горных порол (Новосибирск, Академгородок СО АН СССР, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Вопросы горного дела» (Алма-Ата, 1992 г.); Международном симпозиуме по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах (Санкт-Петербург, 1994 г.); Международной конференции «Геодинамическое районирование недр» (Санкт-Петербург, 1995 г.); Международной конференции «Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики» (Санкт-Петербург, 1996 г.); Международной конференции по механике горных пород (Санкт- Петербург, 1998 г.); Международной конференции «Горная к-омеханика и маркшейдерское дело» (Санкт-Петербург, 1999 г.); Международной конференции «Геомеханика в горном деле-2000» (Екатеринбург, 2000 г.); научно-методической конференции «Уголь в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в юм числе в соав!ораве две книги, четыре брошюры и три авторских свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертация сосюиг из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 264-х наименований и приложения, представлена на 312-ти страницах машинописного текста, содержит 121 рисунок и шесть таблиц.

Автор выражает глубокую благодарное 1ь академику РАЕН, д-ру техн. наук И. М. Петухову за консультации и большое внимание к работе и канд. техн. наук В. С. Сидорову за полезные советы на всех аадиях исследований по настоящей проблеме.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Горные удары с разрушением пород почвы выработок достаточно известное, но малоизученное динамическое явление. Особенности его механики, составляющие научную проблему, в своей основе обусловлены видом напряженно-деформированного состояния разрушающегося участка приконтурного массива. Породные слои почвы испытывают производные от опорного давления нагрузки, формирующиеся в зависимости от геометрических и физико-механических факторов системы «выработка-вмещающие породы». Помимо этого, влияние оказывают различные природные и горно-технические факторы.

Как и другие виды горных ударов, рассматриваемые происходят в результате хрупкого разрушения породы и инициируются исключительно или преимущественно породным давлением (С. Г. Авершин, И. М. Петухов, В. В. Ходот).

Наибольший вклад в развитие исследований по проблеме горных ударов в целом внесли два крупных ученых С. Г. Авершин и И. М. Петухов.

Решению важных проблемных задач по трным ударам посвящены работы Б. Т. Акиньшина, 3. Т. Бенявски, Я. А. Бича, И. Брауна, Б. Ш. Виноку-

ра, Л. П. Запрягаева, А. Н. Зорина, Л. А. Козырева, В. П. Кузнецова, II. Кука, А. М. Линькова, Е. В. Лодуса, В. С. Сидорова, В. А. Смирнова, М. Соломона, А. II. Ставропша, Б. Г. Тарасова, А. А. Филинкова, В. В. Хо-дота, С. А. Христиановича и др.

В результате крупномасштабных исследований, выполненных ВНИМИ в 1950-1960 годах, заложены основы методов борьбы с горными ударами. Применительно к рассматриваемому виду горных ударов следует отметить разработку общей классификации горных ударов по мес!у их проявления (И. М. Петухов). Поаавлена основная научно-практическая задача: определение напряженного состояния почвы выработки, которую можно уподобить прочной пли 1С (прочному слою), заделанной в забое и по стенкам выработки. Решение эшй задачи позволит вскрыть закономерное!и деформирования и, в конечном счете, разрушения почвы выработки (С. Г. Авершин). При этом принципиальным является положение, выдвинутое И. М. Петуховым, которое заключается в необходимое ж рассмотрения всей системы, включающей в себя разрушающую часть угля или породы и часть прилегающего массива горных пород.

Изучению вопросов, касающихся проблемы борьбы с рассматриваемым видом горных ударов (в лшерагуре встречаются другие названия этого явления), посвящены работы С. К. Баймухаметова, Ю. М. Бирюкова, Я. А. Бича, И. В. Боброва, И. М Большинского, В. Е. Будкова, 10. А. Векс-лера, В. Т. Водолазского, А. А. Гурич, Л. М. Гусельникова, С. Я. Жихарева, М. П. Зборщика, А. Н. Зорина, С. М. Клойзнера, Н. Г. Кривулина, В. П. Кузнецова, А. М. Линькова, А. М. Морева, И. А. Новичихина, В. В. Осокина, В. С. Сидорова, Л. А. Склярова, Н. М. Соколова, Н. А. Филиппова, А. Т. Ша-кирова, В. А. Шатилова, В. В. Шерсткипа, В. М. Шика, С. Юсуфф и др.

Анализ этих исследований позволил выявить область распространения тематики и тенденции развития решений в проблеме предотвращения динамических разрушений в почве выработок. Несмотря на большой объем выполненных исследований, проблема осталась нерешенной. Главным образом, это можно объяснить, с одной стороны, отсутствием системности в исследованиях, выражавшимся в отнесении всех разрушений, происходящих в почве выработок, к одной группе динамических явлений, а с друюй, - недостаточной развитостью средств исследований.

В диссертации применен выработанный в процессе изучения горных ударов и выбросов и ставший традиционным дифференцированный подход, при котором динамические разрушения разделяют по причинам, вследствие которых они произошли. При такой систематизации рассматривается широкий спектр этих разрушений, возникающих в результате давления горных пород, или конкретно: горные удары с разрушением почвы выработки.

Диссертационная работа направлена на решение наиболее остро стоящей проблемы предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках (рис. I). Разработанные принципы борьбы с часто встречающимся случаем рассматриваемых горных ударов послужат

предпосылками для создания мер их предотвращения применительно к другим типам выработок.

Анализ условий проявления настоящих горных ударов показал, что возникают они либо при проведении подготовительной выработки на определенном расстоянии от груди забоя, либо в уже пройденных выработках при изменении горно-технических условий, как правило, при воздействии зон повышенного горного давления. При этом они возникают, когда в непосредственной почве выработки залегает прочный слой породы определенной мощности. Подавляющее большинство рассматриваемых горных ударов приурочено к пологому залеганию пород. По глубине, на которой они происходили, не прослеживается определенной зависимости. Вместе с тем факт их принадлежности к зонам повышенного горного давления свидетельствует о существенном влиянии силового фактора. Выявлено также, что параметры слоистости пород в ряде случаев отражали лишь качественную картину их залегания, так как определялись на основе ближайших скважин доразведки шахтного поля. Эти обстоятельства, равно как и вопрос об определении напряженного состояния почвы подготовительной выработки (прочного слоя) с учетом результатов анализа фактических данных, ставят задачу теоретической проработки вопроса о роли слоистости вмещающих подготовительную выработку пород при развязывании горных ударов.

Деформирование и разрушение прочного слоя в почве подготовительной выработки обусловлено сложной системой сил, действующих на его границах. В случае решения как бы обособленной задачи о прочном слое под действием различных внешних нагрузок, она принимает сугубо абстрактный харак1ер. В то же время граничные условия прочного слоя определяются физико-механическими свойствами вмещающих пород, геометрией их и выработанного пространства (подготовительной выработки). При этом определенной глубине будут отвечать оригинальные граничные условия. Тогда при рассмотрении задачи о прочном слое в системе «выработка-вмещающие породы» условия на границе прочного слоя будут в максимальной степени приближения соответствовать реальным.

В результате обобщения условий проявления изучаемого вида горных ударов, их схематизация может быть представлена в следующем виде (рис. 2). Напряженное состояние прочного слоя в почве выработки определяется в системе «выработка-вмещающие породы» (см. рис. 2, а, б). При этом нагрузки на прочный слой, формирующиеся у забоя выработки, схематично иллюстрирует рис. 2, я, а в удаленных от забоя сечениях - рис. 2, б. Изу-

гвд 1

Рис. 1. Зарисовка иодютовительной выработки после горного удара с разрушением почвы, произошедшего 21 02.90 г на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутутль»

чаемый вид горных ударов может возникнуть и при влиянии других факторов, которые могут быть учтены заданием оригинальных нагрузок на границах системы «выработка-вмещающие породы» (см. рис. 2, б). Наиболее вероятные и существенные его источники - это очисшые выработки (см. рис. 2, а). При этом процессы, обусловленные очистными работами, могут быть весьма сложными и представлять собой отдельные проблемные задачи. Например, вследствие резкой посадки основной кровли очистной выработки возможно инициирование горных ударов в почве подготовительной выработки (В. М. Шик, Я. А. Бич).

±Л

Vй

ШШШТО

Та

Рис. 2. Принципиальные геомеханические схемы формирования очагов горных ударов в почве 1юд10юви1ельных выработок

а - напряженно-деформированное состояние призабойной области вырабо!ки, и - р.нре( но А~А, нагрузки, действующие на прочный слой в системе «выработка-вмещающие породы». - перераспределение напряжений у очистной выработки (/ - область влияния выработки. 2 -зона опорного давления, 3 - зона разгрузки)

Таким образом, разработка надежных и эффективных мер по борьбе с рассматриваемым видом горных ударов связана с изучением закономерностей поведения породного массива, в том числе прочного слоя в почве подготовительной выработки (см. рис. 2).

В геомеханике для описания поведения пород при разработке полезных ископаемых широкое применение нашли положения и методы теории упругости и пластичности. При этом используют расчетные методы оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Результаты эффективного их применения содержатся в работах: С. Г. Авер-шина, Э. К. Абдылдаева, Б. 3. Амусина, И. В. Баклашова, А. И. Барулина,

B. И. Борщ-Компонийца, Н. С. Булычева, Р. Галлагера, Ж. С. Ержанова, О. Зенкевича, А. В. Зубкова, В. В. Зубкова, И. А. Зубковой, В. П. Зубова, М. А. Иофиса,Т. Д. Каримбаева, Ю. М. Карташова, О.В. Ковалева, Г. Н. Кузнецова, М. В. Курлени, Ю. М. Либермана, А. М. Линькова, Б. В. Матвеева, И. М. Петухова, А. Г. Прогосени, Э. Н. Работы, К. В. Руппенейта, У. А. Рыс-келдиева, Л. Сегерлинда, В. С. Сидорова, В. А. Смирнова, И. А. Турчанинова,

C. Б. Ухова, А. Б. Фадеева, И. А. Фельдмана, Н. А. Филиппова, Г. Л. Фи-сенко, Ю. Ченга, Е. И. Шемякина и др.

Особенно полезными в связи с быстротой процесса разрушения пород расчетные методы оказались при решении вопросов безопасного ведения рабо! при склонности пород к юрным ударам. Существенное развитие исследованиям по настоящей проблеме придали разработанные во ВНИМИ в 1970-1980 годах под руководством И. М. Петухова меюды расчета напряженного состояния массива горных пород (В. С. Сидоров, И. А. Зубкова, В. В. Зубков, Н. А. Филиппов). На их основе: сформулировано силовое условие разлома прочного слоя (А. М. Линьков), основанное на сравнении сжимающих напряжений, действующих вдоль прочного слоя, с его прочностью на одноосное сжаше; получены зависимости напряжений, действующих вдоль прочного слоя, и выполнен для случая полуплоскости подсчет энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя (Н. А. Филиппов). Позднее на основе этих методов выполнен подсчет энергии, выделяющейся при горных ударах с уча ом работы деформаций прочного слоя, расширен спектр зависимостей напряжений, действующих вдоль прочного слоя, а также разработаны первые рекомендации но прогнозу и предупреждению рассматриваемого вида горных ударов (И. М. Петухов, В. С. Сидоров, М. Г. Мустафин).

Вместе с тем ввиду недостаточной развитости вычислительных средств того времени исследователи ограничивались применением относи гельно грубых расчетных схем, в которых допускалась имитация выработок напряжениями на полуплоскости или полупространстве, вследствие чего нерешенными остались вопросы о влиянии на напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки различных факторов. Например, какова роль параметров слоистости боковых пород и кровли, формы сечения выработки, угла падения пород, а также различных горно-технических факторов, отвечающих усло-

виям возникновения горных ударов. Между тем на Воркутском месторождении все случаи проявлений горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках произошли при влиянии очистных работ. Не вполне ясным остается механизм разрушения прочного слоя, какова роль каждой из компонент напряженного состояния при различных условиях в заделках и силовых факторах. В этой связи и условие разрушения требует уточнения. Важным вопросом в настоящей проблеме является совершенствование методики расчета уровня энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя, а также его динамичности, так как с его решением, с одной стороны, становится реальным прогнозирование силы разрушения, а с другой, вследствие универсальности этого показателя, появляется возможность применения альтернативных методов прогноза горных ударов.

В конце 1980-х годов в связи с появлением компьютеров и программного обеспечения нового качественного уровня рельефно проявилась тенденция, заключающаяся в широком применении при решении задач геомеханики расчетных методов и элементов моделирования. При этом появилась возможность при решении конкретных задач следовать эффективным принципам преемственности и системности в исследованиях: увязывать различные решения или учитывать накопленный опыт в едином программном комплексе. Применительно к настоящей проблеме стало возможным построение моделей объекта (см. рис. 2) и объединение существующих методов, описывающих упругое и неупругое поведение пород с учетом принципов запредельного их деформирования.

По мере увеличения мощности компьютеров и совершенствования программного обеспечения все большую популярность приобретал метод конечных элементов (МКЭ). В настоящее время, можно сказать, МКЭ стал стандартным инструментом, используемым для решения задач геомеханики. Вместе с тем его реализация в виде составной части отмеченного средства моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород требует разработки ряда программных модулей, что представляет собой сложную, но важную техническую задачу.

Необходимость решения затронутых вопросов для достижения поставленной цели обусловило формулирование задач исследований настоящей работы.

При решении вопросов горной геомеханики процесс деформирования и разрушения пород принято разделять на два: до достижения предела прочности и после - запредельное деформирование. Такое разделение носит условный характер, но связано с тем, что поведение породы и соответственно методы его изучения на до- и запредельной стадиях существенным образом отличаются.

В работе для изучения процесса деформирования пород на допредельных стадиях нагружения, принята геомеханическая модель линейного деформирования, отвечающая уравнениям теории упругости. Поведение по-

род за пределом их прочности описывается с применением деформационной теории прочности или геомеханической модели нелинейно деформируемого породного массива.

Разделение в породном массиве областей, которые подчиняются упругому и неупругому поведению, осуществляется с помощью критерия Сен-Венана-Леви: по наибольшим касательным напряжениям. При этом определение предельных напряжений выполняется с использованием прочностных показателей пород: сцепления С и угла внутреннего трения ср, значения которых для многих разностей пород определены. Для скальных и полускальных горных пород в силу того обстоятельства, что их прочность на растяжение невелика и на порядок ниже прочности на сжатие, предельная кривая описывается кусочно-линейной зависимостью, и в областях массива пород, где действуют растягивающие напряжения, используется предел прочности на растяжение. Подобный подход для определения предельных значений напряжений встречался в ряде работ (например, С. Г. Авершин, Э. Айзаксон). В принципе предельная кривая может быть построена на основе других подходов, ближе отвечающих реальности, например, по паспорту прочности пород или обратных расчетов при известных проявлениях горного давления (Г. Л. Фисенко, Ю. М. Карташов, Б. В. Матвеев, Г. А. Михеев, А. Б. Фадеев).

Поведение породы за пределом ее прочности в областях обобщенного сжатия при кусочно-линейной зависимости предельных величин напряжений или для любых видов напряженного состояния при линейном случае, описывается с применением деформационной теории прочности. При этом использованы диаграммы деформирования пород (А. Н. Ставрогин, Б. Г. Тарасов, Е. В. Лодус), ошечающие двум важным случаям: идеальной пластичности и хрупкости за пределом прочности, которые охвашвают практически весь диапазон случаев запредельного деформирования горных пород.

Решение упругопластической задачи при идеальной пластичности достигается путем последова1ельного решения упругих задач. В настоящей работе применяется одна из модификации метода упругих решений (А. А. Ильюшин, И. А. Биргер), при которой варьируют параметрами упругости материала: модулем упругости и коэффициентом Пуассона.

При рассмотрении идеальной хрупкости за пределом прочности породы или в областях породного массива, где действуют растягивающие напряжения, при превышении напряжениями предела прочности породы (в первом случае па сжатие, а во втором на растяжение) модуль упругости принимается на несколько порядков меньше существовавшего. Таким известным в практике способом решения геомеханических задач МКЭ (О. Зенкевич, А. Б. Фадеев) имитируется потеря связи в материале.

Схема алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород, с учетом его упругоиластического поведения, демонстрируется па рис. 3. Сначала строится модель (расчетная схема, см. рис. 2), принимаются упругие параметры пород моделируемого массива, и решается упругая задача по методу конечных элементов. Вычисленные

Рис. 3. Схема ачгоритма расчета напряженно-деформированного состояния юркою массива с \ четом запредетьного деформирования пород

напряжения по каждому элементу сравниваются с предельными для данной породы. В случае если в какой либо области массива (элементе) происходит нарушение предела прочности породы, то по методу упругих решений для данного элемента рассчитываются переменные параметры упругости, имитирующие степень разрушения рассматриваемой области. Далее циклический процесс повторяется с новыми значениями параметров упругости. Завершается этот процесс в том случае, когда в каждом элементе прочность породы не будет нарушена (см. рис. 3).

Реализация приведенного алгоритма возможна только лишь с применением вычислительной техники. Автором была разработана компьютерная гехноло1ия моделирования массива горных пород и его папряжеппо-деформированного состояния (КТМ МГП НДС). КТМ МГП НДС представляет собой программный комплекс, включающий глобальные модули и блоки (рис. 4): препроцессорный блок, включающий модули по вводу исходной информации, формированию базы данных и построению сфуктурной и конечно-элементной моделей массива горных пород (см. рис. 2); вычислительный блок по решению задачи о напряженно-деформированном состоянии пород МКЭ и постпроцессорный блок, в ко юром реализованы процедуры для наглядного представления результатов моделирования.

Алгоритм МКЭ достаточно хорошо описан в литературе (например, О. Зенкевич, Р. Галлагер, А. Б. Фадеев, Ж. С. Ержанов). При подготовленных исходных данных его реализация даже для достаточно больших и сложных задач с применением современных компьютеров не встречает особых трудностей. Однако создание пре- и постпроцессорных программных блоков (см. рис. 4) представляет собой непростые инженерно-технические задачи. Немаловажным моментом при этом является обеспечение удобств, оперативности и эффективности решения задач.

В разработанной КТМ МГП НДС на основе исходной информации о массиве горных пород, который может включать в себя разные структурные

Формирование базы данных необходимой исходном информации

Формирование структурной модели МГП

Формирование конечно-элементной модели МГП

. Расчет.задачи по МКЭ'

Наглядное представление результатов моделирования

Постпроцессорный блок

Рис. 4. Схема программных модулей компьютерно» 1е\1ЮЛОпш моделирования масеива горных пород н его напряженно-деформированною ео-стояния

элементы произвольной формы, например, выработки, породные слои, геологические нарушения и включения, автоматически отстраиваются и структурная и конечно-элементная (разбивка на элементы) модели. При этом используются оригинальные и эффективные способы дискретизации плоской и объемной моделей, позволяющие варьирование размерами элементов в модели в соответствии с ожидаемыми градиентами напряжений. Затем также в автоматическом режиме формируется массив граничных элементов и точек, которые посредством специальных процедур используются для задания определенных граничных условий.

Таким образом, производится подготовка всех исходных данных для реализации МКЭ. Решение системы линейных уравнений, к которой сводится решение задачи по МКЭ, производится методом Зейделя с релаксационным коэффициентом. При этом важным моментом является то обстоятельство, что за счет использования оригинальной программной процедуры матрица жесткости системы переформировывается и хранится в машинной памяти без ее нулевых членов в одномерном массиве. Этот подход позволил на несколько порядков снизить количество используемых ячеек машинной памяти и решать практические геомеханические задачи, применяя лишь оперативную память компьютера. Представление результатов моделирования (компонентов напряженно-деформированного состояния массива горных пород и других важных расчетных параметров) выполняется посредством постпроцессорного блока (см. рис. 4), в котором разработаны процедуры по построению изолиний или цветовому выделению значений расчетных параметров.

Проведенное тестирование разработанной компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния на теоретических и практических примерах, включавшее описание упругого и нелинейного деформирования пород для плоских и объемных моделей, дало положительные результаты и позволило ее использовать в качестве средства (метода) изучения поведения прочного слоя почвы подготовительной выработки в различных геологических и горнотехнических условиях. При этом были использованы известные аналитические решения (задача Буссинеска и картины распределения напряжений у подготовительной выработки, полученные А. Н. Динником, Г. Н. Савиным и А. Б. Моргаевским) и результаты шахтных наблюдений за смещениями пород с помощью глубинных реперов, которые выполнены с участием автора.

На основе применения геомеханической модели линейно деформируемого массива выполнено с учетом фактических данных об изучаемых горных ударах компьютерное моделирование и установлено влияние основных геологических и горно-технических факторов на напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки.

Горные удары с разрушением почвы возникают при проведении подготовительной выработки на некотором удалении от забоя. Поэтому важно знать распределение напряжений в призабойной области выработки, и чем

оно отличается от случая плоской задачи. На основе объемного моделирования (рис. 5) установлено, что на удалении от забоя примерно на расстояние грех линейных размеров сечения выработки уровень напряжений как бы стабилизируется, и их величины соответствуют тем, которые получаются в результате решения плоской задачи. Это, с одной стороны, объясняет возникновение горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках на некотором удалении от забоя, а с другой, - указывает на корректность использования плоской задачи для детального изучения напряженно-деформированного состояния вмещающих подготовительную выработку пород, в том числе прочного слоя.

а б в

Вмещающий массив пород

Подгоговшеньная выработка

Рис. 5. К расчету напряжений в окрестности забоя подготовительной выработки'

и - структурная модель. О - конечно-элементная модель, и распределение вертикальных напряжений у забоя выработки (МПа)

1 \ \

11 ^ \ -А\>Ч - - ч /¡1/ 1 ГС 1 \ \

$ ■ф г/ р! га III 1 1 1 ! 1

Сравнительный анализ напряженного состояния пород у подготовительных выработок с различной формой сечения, в почве которых залегает прочный слой породы, показал, что наименьшая разница между уровнем вертикальных напряжений в боках выработки и в ее почве на удалении от контура выработки равном ее полуширине возникает у выработок круглого сечения, а наибольшая - у квадратного. Причем у выработок с плоским основанием примерно одинаковые величины вертикальных напряжений в боках и в почве. Округление поверхности почвы (обратный свод) приводит к уменьшению расстояния между заделками прочного (по бокам выработки), что создает противодавление силам, действующим на изгиб прочного слоя, и соответственно снижает возможность его разрушения.

При проведении подготовительной выработки по угольному пласту картина распределения напряжений у выработки существенно отличается от случая ее заложения по относительно крепким породам в однородном массиве. При этом вертикальные напряжения в боках выработки уменьшаются, но абсолютные горизонтальные в почве выработки увеличиваются,

наиболее существенно это при наличии в почве выработки прочного слоя. Многовариантное моделирование напряженного состояния прочного слоя, включающее вариации отношений: ширины выработки к мощности прочного слоя (й//И|, рис. 6, а), упругих параметров прочного слоя и нижележащей толщи пород (£|/£2), а также глубины заложения подготовительной выработки, позволило более детально изучить закономерности распределения напряжений в прочном слое.

а б

|Ек . М>|

Зависимости нормированных горизонтальных напряжении в прочном слое

-<--Е1/Е2 = 1, -О—2, —¿г—4, -г-Я

Рис. 6. К расчету тризоптальпых напряжений в прочном слое.

и - струпурплл модель, '"> злвиишосги напрЯ/КСНИЙ, о////

Важным обобщением этих исследований является то, что в отличие от вертикальных напряжений, горизонтальные в прочном слое очень чувствительны к изменениям величин параметров слоистости и могут служить в качестве прогностического признака при прогнозировании горных ударов с разрушением почвы в подютовительных выработках, так как они характеризуют изгиб прочного слоя. Исследования показали (рис. 6, б), что наибольшие горизонтальные напряжения, действующие в прочном слое на его нижней границе под серединой выработки, возникают в интервале отношений ширины выработки к мощности прочного слоя от 2 до 6. Этот интервал согласуется с фактическими данными о горных ударах с разрушением почвы в подготовительных выработках и поэтому можег считаться их теоретическим обоснованием.

В случаях, когда прочный слой залегает на некотором удалении от поверхности почвы выработки, дополнительные горизонтальные напряжения на его нижней и верхней границе по абсолютным величинам становятся меньше. По мере увеличения этого расстояния указанные напряжения стремятся принять одинаковые значения, при этом существенно уменьшается изгиб слоя и соответственно опасность горных ударов.

Примерно такая же закономерность наблюдается при изменении угла падения пород. Причем уже при 7-8 градусах на верхней границе прочного слоя горизонтальные напряжения меняют знак на положительный. Это объясняет приуроченность изучаемых горных ударов к пологому залеганию пород.

При зале!ании угольного пропластка в почве подготовительной выработки напряжения в прочном слое могут существенно отличаться от случая без пропластка. При его залегании непосредственно под прочным слоем горизонтальные напряжения в прочном слое на его нижней границе могут возрасти в три и более раз. Когда он располагается на расстоянии, примерно равном ширине выработки, напряжения в прочном слое такие же, как в случае без пропластка.

Обнаружено также, что для случая одиночной подготовительной выработки залегание в ее кровле относительно прочных песчаников или слабых слоев пород (угольных пластов) не сказывается существенно на распределении напряжений в прочном слое почвы выработки. Однако ситуация коренным образом может измениться при влиянии очистных работ.

Исследована роль слабого контакта на нижней границе прочного слоя с нижележащими породами. Показано, что при этом горизонтальные напряжения в прочном слое могут возрасти значительно, однако этот вопрос следует рассматривать с учетом контактной прочности пород (Г. Л. Фисен-ко, С. Т. Кузнецов, И. Н. Воронин) на основе решения нелинейной задачи о напряжениях.

Эти исследования позволили уточнить модель условий (очагов) рас-смафиваемого вида горных ударов в подготовительных выработках. Модель представляет собой систему «выработка-вмещающие породы», в которой учитываются и варьируются геометрические и механические параметры прочного слоя, залегающего в ее почве, подстилающей его толщи пород, боковые породы, породы кровли, а также форма выработки (см. рис. 6, а).

Исходное напряженное состояния массива горных пород может характеризоваться различным отношением вертикальной V составляющей к горизонтальной g. В случаях, когда боковой распор X принимается по А. Н. Дин-нику, это отношение как правило меньше 1 (= А. = ц/(1 - р)). В этой связи проанализировано распределение напряжений в прочном слое почвы выработки при литостатическом распределении исходного поля напряжений X = 1), а также при тектонике (Х> I). Установлено, что горизонтальные напряжения на нижней и верхней границах прочного слоя возрастают соразмерно коэффициенту бокового отпора X. При этом разница величин этих напряжений почти не изменяется. Это свидетельствует о том, что с ростом бокового давления увеличивается опасность относительно рассматриваемых горных ударов.

Исследовано влияние на напряженное состояние вмещающих пород горно-технических факторов, которые могут создать опасность относи-

тельно горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках.

Получено решение объемной задачи о напряжениях в породах у сопряжения подготовительных выработок. В выступающих краевых частях массива (углах сопряжения выработок) напряжения на 15-20 % выше фа-витационного уровня (уН), который был до проведения выработок. Рассмотрение напряженного состояния пород при сближении параллельных (парных) выработок, пройденных по одноименному угольному пласту, под которым залегает прочный слой, показало, что и вертикальные напряжения в боках выработок и горизонтальные в прочном слое под ней претерпевают существенные изменения, когда расстояние между выработками не превышает пяти их линейных размеров (ширины выработки).

В результате исследований на частных примерах показана возможность оценки влияния на распределение напряжений в породном массиве геологических нарушений. Последние могут быть элементами (сместите-лями) сложной иерархической блочной структуры. Напряженное состояние такого массива оценивается с привлечением методов геодинамического районирования (И. М. Ватутина, И. М. Петухов) изучаемого объекта (месторождения, шахты и т. д.). Важным моментом при этом является возможность получения граничных условий на контуре рассматриваемого блочного массива. Результаты моделирования показали, что поле напряжений блочного массива существенно отличается от ненарушенного, особенно это сказывается вблизи сместителей, и в случаях выраженного блочного строения необходим его учет при прогнозе горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках.

Проведение очистной выработки существенным образом перераспределяет напряжения в породном массиве. Поэтому важно оценивать эти изменения применительно к случаям заложения подготовительных выработок в зонах влияния очистных выработок. Известны плоские и пространственные в плане решения задачи о напряжениях в окрестности очистной выработки. Вместе с тем большой практический интерес не только для рассматриваемой проблемы представляет оперативное решение объемной задачи о распределении напряжений в породах у очистной выработки различной формы. На рис. 7 показана объемная структурная модель, а также обобщение результатов моделирования напряженного состояния пород у очистной выработки с длиной забоя 100 м при ее отходе от разрезной печи на различные расстояния. Геометрические парамефы и этапы моделирования понятны из рассмотрения рис. 7, и. Промежуточный результат моделирования напряженного состояния пород при отходе лавы от разрезной печи на 200 м иллюстрирует рис. 7, б (распределение напряжений, действующих в вертикальном направлении, изолинии в МПа). Показано, что при равенстве сторон очистной выработки размеры зоны опорного давления с боков и впереди лавы также одинаковы. При отходе лавы меньшем, чем длина очистного забоя, размер зоны опорного давления впереди лавы

2 120

50 100 200 400, ы

Длина лавы, м

Рис. 7. Ре>ул1.гати моделирования напряженною сосюянпя породу очистной выработки при различном ее оьходе от разреншй мечи

и - структурная модель,»- лап моделирования. - 1истофамма Ю[| опорного давления

превышает боковой, но при отходе лавы большем, чем длина очнешого забоя, уже зона опорного давления с боков вырабо1ки лревышае! ту, которая формируется впереди забоя.

Установленные зависимойп влияния основных факторов представляют новизну исследовании п позволяют проводить ориентировочные оценки опасности топ или иной ситуации относительно горных ударов с разрушением почвы в под1 отовительных выработках. Между 1ем понятно, что невозможно пока инь влияние всех возможных факторов Однако в работе на основе изучения основных факюров показана меюдология рассмотрения практически любой горно-технической ситуации ошосительно рассматриваемой проблемы.

Описанные исследования создали основу для изучения механизма разрушения прочного слоя (неупру1ая геомеханическая модель). При этом используется разработанная модель очагов рассматриваемого вида горных ударов (система «подготовительная выработка-прочный слой вмещающие породы»), на границах которой могут быть заданы различные условия, отвечающие горно-технической обстановке.

В проблеме горных ударов с разрушением почвы выработки важно определение поня1ия «прочный слой». При решении упругих задач использовался слой с высокими упру! ими параметрами. Однако для решения упру-гопласгической задачи и и целом для прогнозирования горных ударов необходимо определить, какие лиютипы и какой прочности следует относить к прочному слою. Для решения этого вопроса использована классификация пород по инженерно-геологическим свойствам (Ф. П Саваренскин, В. Д. Ломшдзе). Установленная четкая разница между скальными и полускальными породами, проявляющаяся главным образом применительно к рассматриваемой проблеме в их дефектное!и, позволила к понятию «прочный слой» относить породы, принадлежащие к скальной фуппе. К последней по упомянутой классификации принадлежат песчаники, прочностью на сжатие не менее 50 МПа Преимущественно в этом случае слой породы, залегающий в почве подюювите.пьноп выработки, можно рассматривав как монолитную хрупкую плиту, способную сдерживать значительные нагрузки и разрушаться в динамической форме. Надо заметить, что в какой то мере или масштабе понятие «прочный слой» корреспондируется с понятием «порода-мост», которому, как известно, также свойственно разрушаться хрупко, и который, как правило, представлен песчаниками.

Моделирование НДС массива горных пород с учетом нелинейности его деформирования существенно отличается от решения упругой задачи. Большое значение имеет последовательность ишружения пород, 1ак как неоднородный массив разрушается не одновременно или поэтапно. Важно 1акже учитывав, что подготовшельная вырабо1ка проводится в уже напряженном массиве горных пород и при первых шагах ее продвижения могут проявиться неупругие деформации пород. Закономерности деформирования и разрушения прочного слоя исследованы на основе !еомеханической

модели нелинейно деформируемого массива с применением схемы ашоритма, представленной на рис. 3. Использованы способ погружения, при котором структурная модель (рис. 8, ввиду симметрии реализована половина модели) как бы погружается в глубь массива, и способ формирования выработки в напряженном массиве путем вариаций модуля упругости в области выработки. В первом случае на каждом шаге погружения на ее границах задаются соответствующие * нагрузки и решается упругопластическая

задача. Началу пофужения отвечают пулевые значения нафузки.

В результате моделирования различных вариантов установлено, что разрушение прочного слоя может происходить в виде, который характерен проявлениям горных ударов, а также таком, при котором не возникает эффекта бурного разрушения (квазиплавный процесс).

При моделировании процесса разрушения прочного слоя в условиях действия бокового отпора по А. Н. Динни-ку первые разрушения в нем возникают на его верхней границе в средней части выработки. Они обусловлены прогибом прочного слоя и превышением растяги-« вающими напряжениями прочности на

растяжение (рис. 9, конечная стадия разрушения прочного слоя, характери-л зующая механизм бурного разрушения.

Ее можно считать как предшествующую выбросу разрушенной массы в выработку). Это вызвано тем, что горные породы, в том числе песчаники, имеют невысокие прочностные показатели на разрыв. Примерно вместе с этими разрушениями возникают разрушения на контакте между прочным слоем и нижележащей толщей пород. До определенных нагрузок на модель

Рис. 8. Расчешая схема (структурная модель) для решения нелинейной задачи о 11ДС прочного слоя

Выработка ■

|Зоны разрушения]

/ / ч

Рис. 9. Каршна разрушения прочною слоя, иллюстрирующая стадию механизма бурною разрушения (боковой отпор но А Н Диннику, выработка итожена по относительно крепким породам)

происходит развитие отмеченного процесса, т. е. увеличение зоны разрушения на верхней границе прочного слоя под серединой выработки. При нагрузке равной примерно 30 % от разрушающей в случае заложения подготовительной выработки по крепким породам (алевролитам) возникают разрушения прочного слоя у границ выработки. При этом они образованы путем сдвига пород, вследствие превышения максимальными касательными напряжениями предельных значений. При дальнейшем нагружении практически увеличивается лишь зона разрушения в прочном слое у границ выработки. В заключительной стадии (см. рис. 9) зона разрушения достигает нижней границы слоя у границ выработки, а также происходит смятие зоны прочного слоя у нижней его границы под серединой выработки.

До достижения зон разрушения у границ прочного слоя нижней его границы, прочный слой сохранял свои функции как бы стопора, не давая возможность упругому восстановлению нижележащих пород. При этом действие нижележащих пород отвечает мягкому нагружению, при котором в случае разрушения возможны динамические эффекты. Когда этот процесс охватывает всю мощность прочного слоя, фактически отсутствуют силы, препятствующие упругому деформированию нижележащих пород. Это состояние можно сравнить со сжатой пружиной, которую внезапно освободили, и следовательно, в нашем случае произойдет отброс разрушенной массы в выработку, т. е. горный удар.

При литостатическом распределении напряжений в породном массиве эффект бурного разрушения прочного слоя возрастает и картины разрушения несколько отличаются (рис. 10, а). При этом в случае заложения (моделирования) подготовительной выработки по крепким породам (в ее боках) разрушение прочного слоя происходит при меньших нагрузках

и о

Рис. 10. Картины разрушения прочного елоя в почве подюговительной выработки

ч - механизм бурною разрушения (литостатика), 0 ~ механизм квазиплавного разрушения (исходное поле напряжений по Л И Диппику, выработка пройдена по угольному пласту)

(на модель), чем когда выработка пройдена по угольному пласту. Это свидетельствует, что при проведении выработки по породам с небольшой жесткостью снижается опасность относительно горных ударов с разрушением почвы в подготовительных выработках. Установленный положительный эффект более ощутим при боковом отпоре по А. Н. Диннику. При этом возможны случаи, когда разрушение прочного слоя не имеет бурного характера, свойс!венного проявлениям горных ударов (см. рис. 10).

При заложении выработки по мощному угольному пласту с низкими прочностными показателями разрушение прочного слоя может иметь место, но его характер существенно отличается от формы бурного разрушения (см. рис. 10, б). Прочный слой разрушается лишь в средней части выработки. Эти разрушения развиваются по мере увеличения нагрузок на модель соразмерно разрушениям в угольном пласте. Увеличение податливости угольного пласта за счет его разрушения в боках выработки приводит к возможности большего разворота и поднятия прочного слоя в заделке. С одной стороны, это может обусловить возрастание растягивающих напряжений на верхней границе прочного слоя под серединой выработки и соответственно зоны разрушения (см. рис. 10, б), но с другой, происходит как бы отдаление в глубь массива (угольного пласта) больших величин опорных нагрузок и уменьшение касательных напряжений в прочном слое у границ выработки, от которых зависит его разрушение путем сдвига. Такой вид разрушения прочного слоя, инициируемый исключительно растягивающими напряжениями и развивающийся лишь в средней части выработки, не имеет своего продолжения в виде горного удара.

Между тем большое значение имеет последовательность задания нагрузок, их величина и шаг, составляющие путь нагружения. Так, в случае разового задания большой нагрузки на модель (примерно соразмерной тем, при которых происходит бурное разрушение прочного слоя в случае заложения выработки по относительно крепким породам, см. рис. 10) разрушение может иметь форму горного удара.

Изучение механизма разрушения прочного слоя при идеальной хрупкости за пределом его прочности показало, что при общности качественных картин разрушения, в количественном отношении имеются некоторые отличия от случая идеальной пластичности. Разрушение прочного слоя (конечная стадия) при идеальной хрупкости достигается при меньших нагрузках, чем при идеальной пластичности. При варьировании мощности прочного слоя обнаруживается линейная зависимость: для большей мощности необходимы большие нагрузки. Показано также, что контактная прочность на границах прочного слоя непосредственно у выработки не в состоянии выдержать возникающих напряжений и, следовательно, препятствовать процессу разрушения прочного слоя и выносу разрушенной массы в выработку.

Результаты исследований процесса разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки содержат новизну работы, на основе которой сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Уточнение и детализация механизма разрушения прочного слоя в почве подготовительной вырабо1ки позволяет установи 1ь сам факт разрушения. Однако важно 1акже примерно знать, на каком энертическом уровне оно произойдет. Для решения этой задачи разработана метдика, заключающаяся в оценке энергии упругих деформаций пород, которая аккумулируется во вмещающем выработку массиве до разрушения прочного слоя и после пего. Разность этих энергий отражает то количество, которое идс! на разрушение прочного слоя.

При использовании разработанной КТМ МГГ1 НДС подсчет энергии производится со всей области влияния выработки, путем рассмотрения модели (системы «выработка»-вмещающие породы», см. рис. 8) удовлетворяющих данной задаче размеров. Таким образом, энергия, участвующая в процессе разрушения, складывается из энергий: запасаемой в прочном слое (И7^,) и вмещающих породах (И/и^ш„). Идея применения такого подхода при изучении горных ударов высказана И. М. Петуховым. В данной работе этот принцип применен для одного из видов горных ударов. В результате многовариантного моделирования построена номограмма (рис. 11, а), позволяющая проводить оценку уровня энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя.

ВДж 800 400 200 100 50

1 2 3 4 5 6 7 а/т.

Е, / К; " 10

Рис. II. Номофаммы для определения жерши, выделяющейся при разрушении прочною слоя к почве ПОД!оIовпIельион вырабожн (а) и пика мюля динамичности разрушения

При прогнозировании рассмафиваемого вида горных ударов, помимо приближенных оценок эпер1 ии, которая может выделиться при разрушении прочного слоя, важно знать его динамичность. Для ее определения требуется знание количества энергии, которое необходимо для разрушения прочного слоя. В го же время известно, что при разрушении хрупких пород или, точнее, при создании условий для хрупкого разрушения, которые обеспечивают возникновение горных ударов, работа, затрачиваемая на собственно процесс разрушения (разрыв связей), невелика, и практически вся упругая энергия создает динамический эффект разрушения. Принимая это положение, ориентировочные оценки динамичности разрушения прочного слоя на стадиях, предшествующих его разрушению (прогноз), можно получать на основе сравнения энергии упругого деформирования вмещающих прочный слой пород (lV^KMn) и энергии, аккумулирующейся в разрушаемой области прочного слоя (IVÎA). В ходе выполнения моделирования обнаружено, что в наибольшей степени реагируют на изменения параметров прочного слоя породы, залегающие ниже его, что отражается на их энергии деформирования (W„„.,). Тогда показатель динамичности Ка разрушения прочного слоя можно определять из выражения: Кл = (Жсл + IV,юч) / IVа,. На основе результатов моделирования разработана номограмма (см. рис. 11, б), позволяющая определять показатель динамичности разрушения прочного слоя для различных величин параметров: ширины выработки, мощности прочного слоя и модулей упругости пород.

Результаты исследований по оценке энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя в почве подготовительной выработки, составили альтернативное обоснование наиболее опасного интервала отношений ширины выработки к мощности прочного слоя, определенного на основе изучения напряжений в прочном слое, и изучения фактических данных о горных ударах (см. рисунки 6, 11).

Совершенствование методик определения энергии, выделяющейся при динамических явлениях, весьма важно, так как ведет к их упорядочению по энергетическим показателям, и в силу их универсальности открываются широкие возможности для привлечения различных методов прогноза из смежных дисциплин.

По результатам проведенных исследований, содержащих принципы борьбы с рассматриваемым динамическим явлением, разработаны практические рекомендации, включающие метод их прогноза и способы предупреждения.

Метод прогноза включает в себя региональный и локальный.

Региональным прогнозом определяется потенциальная опасность участка подготовительной выработки. На основе установленного наиболее опасного интервала отношений ширины выработки к мощности прочного слоя:

2 < а!т\ < 6, -

определяются участки, где соблюдается это условие. В случае его выполнения эти зоны признаются потенциально опасными (ПОЗ) и их опасность

следует оценить с учетом конкретных горно-технических условий, что осуществляется локальным прогнозом.

Локальный прогноз выполняют для участков подготовительной выработки, в которых региональным прогнозом установлена ПОЗ. Локальный прогноз производят расчетным путем на основе разработанной КТМ МГП НДС. При этом моделируется напряженно-деформированное состояние прочного слоя в почве подготовительной вырабо!ки с учетом конкрежой горной ситуации. Для районов, в которых выполнены предварительные исследования (например, Воркутское месторождение угля), могут применяться специальные инженерные методики, в которых оценка НДС пород производится посредством разработанных графиков и номограмм. Участки подготовительной выработки, в которых локальным прогнозом установлена опасность, признаются опасными зонами (03), которые следует привести в неудароопасное состояние.

Установленный механизм разрушения прочного слоя, разработанный метод прогноза настоящих горных ударов, включающий оперативное использование КТМ МГП НДС, представляюI широкие возможности для моделирования безопасных условий с применением различных способов. При установлении 03 могут быть применены следующие способы предотвращения рассматриваемого вида горных ударов. Изменение размеров и положения подготовительной выработки относительно прочного слоя. Способ реализуется на основе изучения геологических условий заложения выработки и контроля отношения ширины выработки к мощности прочного слоя по условию регионального прогноза. Заблаговременное разрушение прочного слоя буровзрывным способом. Этот способ предложен ВНИМИ и технически разработан с участием института ПечорНИИпроект. Применяется он на шахтах ОАО «Воркутауголь». Бурение скважин в бока выработки. Применение этого способа для предотвращения горных уларов с разрушением почвы в подготовительных выработках предлагается впервые и стало возможным вследствие установления механизма разрушения прочного слоя. Изученная закономерность, заключающаяся в том, что податливость пород, по которым проводится выработка, существенно влияет на характер возможного разрушения прочного слоя, позволяет использовать этот принцип за счет разгрузочных скважин. Для предотвращения горных ударов с разрушением почвы подготовительной выработки эффективно также использовать хорошо известные меры, заключающиеся в применение защитных пластов и способов управления горным давлением. Применение этих мер и скважинной разгрузки требует проведения детального изучения конкретной горно-технической ситуации и может быть реализовано с использованием разработанной КТМ МГП НДС.

Разработанные практические рекомендации по прогнозу и предотвращению горных ударов с разрушением почвы подюювительных выработок прошли многолетнюю проверку при подготовке и офаботке нескольких очистных выработок с породами почвы, склонными к горным ударам в подгого-

вительных выработках, а также промышленные испытания (ОАО «Воркута-уголь», шахта «Комсомольская»). При этом были выбраны участки, сопряженные с теми, где ранее происходили горные удары. В результате использования практических рекомендаций в ходе промиспытаний, длившихся более двух лет, и реализованных на участке горных работ, протяженностью около 2 км с разнообразными условиями как в геологическом отношении, так и по горно-техническим факторам, горных ударов не произошло. Между тем прогнозом были обнаружены и потенциально опасная зона (ПОЗ), и опасная зона (03). Последняя была приведена в неудароопас-ное состояние путем применения буровзрывного способа предотвращения горных ударов. По завершении промышленных испытаний межведомствен-^ ной комиссией сделан вывод о том, что способ прогноза и предотвращения

горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок был реализован в условиях различной степени опасности, промышленную проверку способа прогноза и предотвращения следует признать успешной и рекомендовать для практического применения. По материалам промышленных испытаний разработаны нормативные положения, вошедшие в Инструкцию по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы создания принципов борьбы с одним из видов горных ударов, имеющей в связи с обеспечением повышения безопасности ведения горных работ важное хозяйственное значение.

Основныераулыпаты и выводы:

* I. Разработанные научные основы прогноза и предупреждения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках позволили создать инженерные методики, которые воплощены в практические реко-

* мендации, выдержали промышленную проверку, внедрены на производстве и включены в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».

2. Разработанная и апробированная при проведении промышленных испытаний модель очагов горных ударов с разрушением пород почвы подготовительных выработок, представляющая собой систему «выработка-вмещаю-щие породы», существенно повысила ее адекватность реальным условия их формирования и обеспечила развитие методов их прогноза и предотвращения.

того чтобы разрушение прочного слоя имело бурный характер, свойственный горным ударам, необходимо достижение критических напряжений в прочном слое и под серединой выработки (горизонтальные), и у границ выработки (касательные). Показано отличие процесса разрушения прочного слоя при постепенном его нагружении, и когда разово задана относительно большая нагрузка. В одних и тех же геологических условиях заложения выработки в первом случае разрушение прочного слоя может протекать квазиплавно, а во втором иметь бурный характер. Обнаружено также, что при моделировании разрушения прочного слоя с использованием диаграммы деформирования с идеальной хрупкостью за пределом его прочности, разрушение прочного слоя наступает при нагрузках примерно на 30% меньших, чем при использовании идеальной пластичности за пределом прочности. На напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки влияет упругость и прочность боковых пород, по которым пройдена выработка. Увеличение жесткости и прочности боковых пород приводит к возрастанию в прочном слое касательных напряжений и опасности проявления горного удара, а их снижение - к обратному эффекту, который может быть использован в качестве меры предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках.

4 Разработан метод прогноза горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, состоящий из двух этапов. В первом на основе рассмотрения соотношений мощности прочного слоя и ширины выработки определяется потенциальная опасность динамического явления, а на втором, при положительном результате первого этапа, расчетным способом с использованием компьютерной технологии моделирования процесса разрушения прочного слоя прогнозируется возможность горного удара для конкретной горнотехнической ситуации. При этом, прочный слой породы, преимущественно, должен принадлежать к скальной группе пород, а отношение ширины выработки к мощности прочного слоя составлять интервал от 2 до 6.

5. Предложены и научно обоснованы принципы создания мер по предотвращению горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, физическая сущность которых состоит либо в снижении напряженности прочного слоя за счет: изменения размеров и (или) положения выработки; разгрузки, вследствие предварительной над- подработки или изменения механических свойств боковых пород, либо в устранении экранирующего эффекта прочного слоя путем его разупрочнения.

6. Разработанная методика оценки энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя в почве подготовительной выработки, учитывающая накопление упругой энергии во всей области влияния выработки и позволяющая выявлять динамичность разрушения, обеспечивает предпосылки для совершенствования энергетической классификации динамических явлений.

7. Разработанное средство исследований - компькнерная технология моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, может быть .использована при решении ряда вопросов геомеханики как оперативное средство оценки геомеханической обста-

!■ : • • 'Г'

новки конкретного региона, а также при создании специализированных информационных, экспертных или мониторинговых систем.

8. Результаты проведенных исследований дали новые знания о закономерности процесса деформирования и разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки в различных геологических и горнотехнических условиях, обеспечивающие в целом развитие теории методов борьбы с динамическими явлениями.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах (дополнение к Каталогу 1983 г.) - Л.: ВНИМИ, 1986. - 88 с.

2. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов:- Справочное пособие / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидоров и др. - М.: Недра, 1992.-256 с.

3. А. с. № 1317149 СССР, Е 21 5/00. Способ защиты угольного пласта от горных ударов и внезапных выбросов угля и газа // Е. В. Гончаров, Н. В. Кротов, М. Г. Мустафин и др. (СССР). - № 3988938/22-03; - Опубл. 15.06.87, Бюл. № 22.

4. Мустафин М. Г., Сидоров В. С., Филиппов Н. А. Опережающая отработка защитных пластов как эффективный способ предотвращения динамических разломов почвы выработок. - В кн.: Совершенствование способов разработки удароопасных месторождений. - Л.: ВНИМИ, 1986. - С. 25-29.

5. Петухов И. М., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. О прогнозировании динамических разломов в кровле очистной выработки. - В кн.: Горные удары. Шахтная геология и геофизика: Сб. науч. тр. - Л.: ВНИМИ, 1988. - С. 78-81.

6. Методические указания по расчету напряжений в зонах влияния • очистных выработок. - Л.: ВНИМИ, 1989.-56 с.

7. Об устойчивости почвы выработки, проводимой вблизи отработанной лавы / В. П. Кузнецов, А. Ф. Филимонов, В. С. Сидоров, М. Г. Мустафин // Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений: Сб. науч. тр.-Л.: ВНИМИ, 1990. - С. 45-51.

8. Перспективные геомеханические схемы регионального управления выбросоопасным состоянием массива при разработке свит угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна. - Л.: ВНИМИ, 1991. - 54 с.

9. Патент РФ № 1800055. Способ защиты от газодинамических явлений на больших глубинах / Н. В. Кротов, Е. В. Гончаров, В. С. Сидоров, Л. А. Гончарова, М. Г. Мустафин, 10. М. Бирюков, А. К. Калачик. - Опубл. 7.03.93., Бюл. № 9.

10. Патент РФ № 2019707. Способ прогноза опасных проявлений горного давления / Н. В. Кротов, Е. В. Гончаров, В. А. Белослудцев, М. Г. Мустафин, А. К. Горенок. - Опубл. 15.09.94., Бюл. № 17.

11. Петухов И. М., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. Об энергии и по-

следствиях проявления горных ) Д#0№й£ЩЙМ1иШН11Я|ф0ВЛИ выработок//

БИБЛИОТЕКА I С Петербург Ч 33

09 ТОО акт I

Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах.-Л.: ВНИМИ, 1994.-С. 14.

12. Управление геомеханнческим состоянием массива горных пород. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - 259 с.

13. Кузнецов В. П., Сидоров В. С., Мустафнн М. Г. Прогноз и предотвращение горных ударов с разрушением почвы выработок // Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. -Л.: ВНИМИ, 1994. - С. 34.

14. Мустафин М. Г. К созданию экспертной системы прогноза устойчивости горных выработок // Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики / Международная конференция.-СПб.: ВНИМИ, 1996. -С. 307-311.

15. Мустафин М. Г. Геомеханическая модель системы «вырабожа -вмещающие породы» и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: В11ИМИ, 1999. - С. 448-454.

16. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам (к главе 11 Правил безопасности наугольных шахтах). - СПб.: ВНИМИ, 1999.

17. Мустафин М. Г. Оценка напряженного состояния в окрестности выработок с учетом блочного строения массива горных пород // Геомеханика в горном деле - 2000 / Международная конференция. - Екчперипбург, 2000. - С. 89.

18. Исследование процессов деформирования массива при заблаговременном извлечении метана из угольных пластов / В. В. Гурьянов, Н. И. Слюсарев, В. М. Шик, Б. Ю. Зуев, Л. Т. Карманский, М. Г. Мустафин // Уголь в XXI веке. - СПб.: СПГГИ, 2000. - С. 41.

19. Зуев Б. К)., Мустафнн М. Г. Применение методов физического и имитационного (компьютерного) моделирования для решения задач управления геомеханическим состоянием массива при добыче моана из неразгруженных угольных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2002. - № 6. - С. 75-78.

20. Мустафин М. Г., Петухов И. М. Механизм и энергия разрушения прочною слоя в почве подготовительной выработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2002. -№ 10. -С. 36-41.

21. Мустафнн М. Г., Петухов И. М. Об основных факторах, обуславливающих возникновение горных ударов с разрушением почвы выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2002. - № 11.-С,- 17-22.

22. Мустафин М. Г. Предупреждение динамических разрушений прочных слоев пород в почве подготовительных выработок // Записки горного института.-Т. 153.-СПб.: СПГГИ, 2003. С. 88-89.

Для заметок

Печатный це\ ВНИМИ Злк 8 1ирал IUU Объем 2,2S п л

И 58 35

2.00? - /1 iFSjy

Содержание диссертации, доктора технических наук, Мустафин, Мурат Газизович

t ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Анализ геологических и горнотехнических условий проявления динамических разрушений почвы подготовительных выработок

1.1.1. Донецкий бассейн.

1.1.2. Кизеловский бассейн.

1.1.3. Карагандинский бассейн.

1.1.4. Печорский бассейн.

1.2. Анализ результатов исследований.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ЕГО НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ.

2.1. Диаграммы деформирования и разрушения горных пород

2.2. Геомеханическая модель линейно деформируемого породного массива. fr 2.3. Геомеханическая модель нелинейно деформируемого породного массива.

2.4. О механических характеристиках пород.

2.5. Разработка компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния

2.5.1. Основные, модули компьютерной технологии моделирования

2.5.2. Основы метода конечных элементов.

2.5.3. Программные средства разработки.

2.5.4. Программный модуль по формированию базы данных исходной информации.

2.5.5. Программный модуль по формированию структурной модели

2.5.6. Программный модуль по построению конечно-элементной модели.

2.5.7. Программный модуль «Расчет задачи по МКЭ».

2.5.8. Программный модуль по наглядному представлению результатов моделирования.

2.6. Испытание компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния

2.6.1. Теоретические примеры. .ИЗ

2.6.2. Практические примеры.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАПРЯЖЕННО* ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД ПОЧВЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ.

3.1. Подготовительная выработка в системе «выработка-вмещающие породы».

3.1.1. Однородный массив пород.

3.1.1.1. Напряженное состояние пород в окрестности забоя.

3.1.1.2. Форма поперечного сечения.

3.1.2. Неоднородный слоистый массив пород.

3.1.2.1. Прочный слой породы в почве выработки.

3.1.2.2. Подготовительная выработка, пройденная по угольному пласту

3.1.2.2.1. Задача о прочном слое.

3.1.2.2.2. Угольный пропласток в породах почвы выработки.

3.1.2.2.3. Прочный слой залегает на некотором удалении от поверхности почвы выработки.

3.1.2.2.4. Угол залегания пород.

3.1.2.2.5. Литостатика и тектоника.

3.1.2.2.6. Жесткий слой («порода-мост») в кровле выработки.

3.1.2.2.7. Угольный пласт в породах кровли.

3.1.3.0 геологических нарушениях.

3.2. Соседние выработки.

3.2.1. Подготовительная выработка.

3.2.1.1. Параллельные выработки на одноименном пласте.

3.2.1.2. Пересекающиеся выработки (область сопряжения).

3.2.2.0чистная выработка.

3.3. Блочное строение массива горных пород.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНОГО СЛОЯ, ЗАЛЕГАЮЩЕГО В ПОЧВЕ

ПОДГОТОВИЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ.

4.1. Моделирование разрушения прочного слоя.

4.1.1.0 прочном слое и его механических характеристиках.

4.1.2. Расчетная .схема.

4.1.3. Особенности методики моделирования напряженного состояния пород с учетом нелинейности их деформирования.

4.1.4. Моделируемые варианты.

4.1.5. Схематизация механизмов разрушения прочного слоя.

4.2. Подсчет энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ И ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО БОРЬБЕ С ГОРНЫМИ УДАРАМИ С РАЗ-• РУШЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ

5.1. Разработка метода прогноза горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках.

5.1.1. Региональный прогноз. Прогноз потенциально опасных зон

5.1.2. Локальный прогноз. Прогноз опасных зон.

5.2. Разработка методических рекомендаций по предотвращению горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках

5.2.1. Изменение размеров и положения подготовительной выработки относительно прочного слоя породы, залегающего в ее почве

5.2.2. Заблаговременная над- и подработка участка проведения подготовительной выработки.

5.2.3. Разрушение прочного слоя в почве подготовительной выработки

5.2.4. Создание вертикальной щели в прочном слое.

5.2.5. Бурение разгрузочных скважин в бока подготовительной выработки

5.2.6. О контроле эффективности мер предотвращения.

5.3. Промышленные испытания разработанных рекомендаций по предотвращению горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках.

5.3.1. Объект промышленных испытаний.

5.3.2. Результаты промышленных испытаний.

Выводы по пятой главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт"

Подземная разработка угольных пластов приводит к нарушению природного состояния горного массива. Происходит сложный процесс деформирования пород, распространяющийся в объеме, во много раз превышающем выработанное пространство. В результате в массиве у выработок, вследствие перераспределения горного давления, возникают дополнительные зоны растяжения и сжатия. Породы приконтурного массива испытывают неравноком-понентные нагрузки и при определенных (критических) величинах напряжений происходит их разрушение. В какой форме оно произойдет, является чрезвычайно важным вопросом геомеханики.

Большую опасность для жизни шахтеров представляют динамические явления. Одной из самых катастрофичных форм разрушения пород являются горные удары. Устранение их последствий существенно увеличивает себестоимость добычи полезного ископаемого и может сделать ее нерентабельной. Поэтому исследования, направленные на совершенствование и создание способов прогноза и предотвращения горных ударов следует считать актуальными.

Первые упоминания о горных ударах относят к середине 18 века [4]. В нашей стране горные удары впервые отмечены в Кизеловском угольном бассейне в 40-х годах прошлого столетия [4, 179]. В последующие годы горные удары зарегистрированы почти во всех угольных бассейнах страны [180]. Очаги их проявлений, в подавляющем большинстве случаев, находились в угольных пластах. В связи с этим основное внимание уделялось изучению поведения угольного пласта и механизма его разрушения.

В результате многолетних, комплексных исследований ВНИМИ [4, 37, 51, 69, 180] разработаны эффективные меры борьбы с горными ударами на угольных пластах, обеспечившие значительное уменьшение их количества [199]. О масштабах исследований, выполненных под руководством С. Г. Авер-шина и И. М. Петухова, и внимании, которое уделялось данной проблеме, свидетельствует следующая краткая их характеристика.

Работы проводились около двух десятилетий (1950-60 годы) и охватывали такие направления: изучение и анализ геологических и горнотехнических условий возникновения горных ударов; изучение деформаций и сдвижений горных пород и угля; изучение механических свойств горных пород и угля на образцах; натурные испытания угольных пластов под давлением; изучение проявлений горного давления геофизическими методами; относительная оценка напряженности угольного пласта; моделирование горных ударов, условий и процессов их вызывающих; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в области влияния горной выработки; создание инженерных методов расчета параметров применяемых мер борьбы с горными ударами; проведение экспериментальных работ в шахтных условиях [180].

Для проведения этих исследований был разработан широкий спектр новых методов и приборов. В частности разработаны: метод наблюдения за сдвижением горных пород и угля при помощи глубинных реперов, позволяющий отслеживать изменения их напряженного состояния; реостатные и импульсные датчики для дистанционного и автоматического измерения сдвижений пород; скважинные деформометры; метод натурных испытаний угольных пластов при помощи давильных устройств; установка ГУПВ для проведения испытаний в условиях сложного напряженного состояния горных пород; методы относительного напряженного состояния краевой части пласта путем регистрации процессов и явлений, протекающих при бурении (сейсмоакустическая активность, выход штыба и его крупность), по изменению электрического сопротивления, за счет вдавливания штампа в забой и стенки скважины; давильные установки с автоматической регистрацией электропроводности, пористости и проницаемости образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния и др.

Разработанные методы и приборы нашли широкое применение не только при изучении горных ударов, но и для решения других задач механики горных пород. При решении специфических вопросов горных ударов приобрели популярность ряд геофизических методов: микросейсмический, сейсмоакустиче-ский, наклономерный и электрометрический.

Описанные комплексные исследования горных ударов, разработка и внедрение мер борьбы с ними выполнялось ВНИМИ в сотрудничестве с комбинатами Кизелуголь, Приморскуголь, Воркутауголь, Киргизуголь, Кузбассуголь, Грузуголь, рудоуправлением Таджикуголь, институтами ПермНИУИ, Печор-НИУИ, ВостНИИ, Грузгипрошахт, Уралгипрошахт, Дальгипрошахт, Пермги-прогормаш, а также Пермским, Печорским, и Приморским округами Госгор-технадзора страны. Наиболее широкие исследования и горно-экспериментальные работы выполнены в Кизеловском угольном бассейне, где опасность горных ударов была особенно велика.

Эти исследования позволили классифицировать горные удары по месту их проявления, установить природу и причины горных ударов, разработать, опробовать и внедрить эффективные меры борьбы с ними в различных геологических и горнотехнических условиях. Проведена также большая организационная работа по обучению кадров горняков, работающих на шахтах с пластами, опасными по горным ударам, что имело большое значение в повышении безопасности работ.

Вместе с тем с начала 1980-х годов в Донбассе, а затем в Карагандинском угольном бассейне в массовом порядке стали возникать динамические разрушения в почве выработок, в ряде случаев они имели катастрофический характер [29, 31, 44, 49, 53, 59, 70, 71, 83, 84, 90, 96, 97, 112, 114, 116, 146, 154]. В этой связи весьма остро встала проблема борьбы с этими динамическими явлениями. С 1990-х годов эта проблема возникла на Воркутском угольном месторождении, где все случаи имели место в подготовительных выработках. Наблюдались подобные явления на многих угольных шахтах России и за рубежом [4, 14, 29, 31, 44, 154]. Их количество к настоящему времени исчисляется сотнями (по данным работы [44] зарегистрировано около 300 случаев). Причем, надо заметить, что регистрируют, как правило, лишь те случаи, которые нанесли значительный вред производству.

В 1982 году во ВНИМИ под руководством И. М. Петухова были начаты целенаправленные исследования по проблеме динамических разрушений пород почвы выработок.

Обобщение результатов исследований ВНИМИ [53, 83, 85, 86, 90, 96,97, 114, 115, 156, 178, 196], выполненных до 1990-х годов, содержится в кандидатской диссертации автора: «Разработка способа прогноза и предупреждения динамических разломов почвы выработок на основе изучения напряженного состояния горного массива» [193].

В итоге этих исследований обнаружено [193], что причины возникновения разрушений почвы выработок могут быть весьма разнообразны. Это могут быть суфляры техногенного и природного происхождения. Разрушения почвы выработки могут быть обусловлены высоким давлением газа, находящегося в породах почвы, а также происходить без участия газа, исключительно за счет силового фактора (давления пород). В последнем случае динамические разрушения относят к горным ударам с разрушением почвы выработок [89].

Изучение проблемы разрушений в почве выработок с разных точек зрения обусловило разные его названия [29, 44, 193] и соответственно методы исследований. Это создавало некоторую неопределенность в данной проблеме, так как предпринимались попытки с какой-то одной позиции описать все виды разрушений в почве выработок. Вместе с тем понятно, что механизм возникновения суфляра существенным образом отличается от горного удара или от разрушения и выброса породы давлением газа. Поэтому ясность в проблеме разрушений почвы выработок может быть достигнута путем ее дифференциации, предусматривающей раздельное изучение каждого упомянутого направления. Собственно именно такой подход обеспечил развитие исследований по проблемам горных ударов и выбросов [89, 199].

ВНИМИ является головным институтом по проблеме борьбы с горными ударами. В этой связи из возможных разрушений в почве выработок в данной работе рассматриваются такие, которые могут быть отнесены к горным ударам. В такой постановке решения проблемы речь идет (по классификации

И. М. Петухова) об одном из видов горных ударов с разрушением почвы выработок [199]. Здесь важно напомнить, что горные удары относятся к категории динамических явлений, инициируемых исключительно или преимущественно давлением горных пород [89, 236], и по определению [89] горный удар с разрушением пород почвы выработок - это хрупкое разрушение слоя породы почвы выработки в результате превышения предела прочности его в условиях изгиба со сжатием.'

В результате анализа условий, в которых происходили горные удары с разрушением пород почвы выработок, установлено, что они возникают во всех типах выработок, но большинство случаев зарегистрировано в подготовительных выработках [193]. При этом они возникают либо при ее проведении на некотором расстоянии от забоя, либо в уже пройденной выработке при изменении горнотехнической ситуации, как правило, при воздействии на ее определенные участки зон повышенного горного давления. Изучение причин возникновения горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок показало [85, 86, 193, 197], что связаны они с определенным соотношением параметров выработки и слоистости пород почвы. При этом в непосредственной почве должен залегать прочный (несущий) слой породы, который подобно перекрытию в строительных конструкциях сдерживает возникающие нагрузки. В случае формирования в нем напряжений, отвечающих предельным значениям для данной породы, возможен горный удар. Следовательно, создание надежных способов прогноза и предотвращения рассматриваемого вида горных ударов связано с определением напряженно-деформированного состояния прочного слоя в почве подготовительной выработки.

Несмотря на большое количество работ, посвященных данной проблеме [29,31,44, 49, 53, 59, 70,71,83,84, 90, 96, 97, 112, 114, 116, 146, 154], вопрос о напряженном состоянии прочного слоя в почве подготовительной выработки рассмотрен недостаточно. Известные решения задачи о напряженном состоянии прочного слоя в почве подготовительной выработки основаны на имитации выработки, путем задания напряжений на полупространстве (полуплоскости), поэтому не учитывают ряд важных моментов данной проблемы. Например, какова роль параметров слоистости боковых пород и кровли, формы сечения выработки, угла падения пород, а также различных горнотехнических факторов.

Кстати здесь отметить, что на Воркутском угольном месторождении все случаи динамических разрушений произошли в ранее пройденных подготовительных выработках на участках, значительно удаленных от забоя выработки и эксплуатировавшихся продолжительное время. Это свидетельствует о том, что прежде как бы неопасные участки подготовительной выработки при изменении горнотехнической обстановки (например, при влиянии очистных работ) могут стать опасными, т.е. существует потенциальная (скрытая) опасность на предмет возникновения изучаемого вида горных ударов. В этой связи возникает необходимость оперативного прогнозирования горных ударов в почве подготовительных выработок не только проводимых (у забоя, вследствие изменчивости геологического строения), но и существующих, которые подвергнутся влиянию соседних выработок или других источников повышенного (пониженного) давления. Приведенные прецеденты следует рассматривать как общие, свойственные в целом пластовым месторождениям, где характерны геологические условия, при которых в непосредственной почве выработки может залегать прочный слой породы.

Продолжая о недостатках, следует сказать об отсутствии решений данной задачи в нелинейной постановке, без которого затруднительно описание механизма его разрушения. Не в полной мере остается освещенным важный вопрос об энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя, по величине которой можно с одной стороны судить о его последствиях (силе проявления), а с другой - в силу универсальности энергетических показателей появляется возможность применения альтернативных методик контроля состояния массива, например, геофизическими методами.

С учетом отмеченных обстоятельств, свидетельствующих о необходимости решения проблемы предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках, представляется актуальной тема диссертации: «Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт», конечная цель которой состоит в создании научных основ прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы подготовительных выработок путем изучения напряэ/сенно-деформированного состояния массива, вмещающего подготовительную выработку, в почве которой залегает прочный (несущий) слой породы, обеспечивающих за счет применения инженерных методов повышение безопасности ведения горных работ.

Деформирование и разрушение прочного слоя в почве подготовительной выработки обусловлено сложной системой сил, действующих на его границах. В случае решения как бы обособленной задачи о прочном слое под действием различных внешних нагрузок, она принимает сугубо абстрактный характер. В то же время граничные условия прочного слоя определяются физико-механическими свойствами вмещающих пород, геометрией их и выработанного пространства (подготовительной выработки). При этом определенной глубине будут отвечать оригинальные граничные условия. Тогда, при рассмотрении задачи о прочном слое в системе «выработка-вмещающие породы» условия на границе прочного слоя будут в максимальной степени приближения соответствовать реальным.

В геомеханике для описания поведения пород при разработке полезных ископаемых широкое применение нашли положения и методы теории упругости и пластичности (например, [3,4, 7, 19, 20, 21, 34, 39, 57, 63, 69, 78, 102, 107, 120, 122, 137, 170, 176, 183, 193, 199, 202, 207, 217, 227, 232, 236, 262]). При этом используют расчетные методы. Особенно эффективными они оказались при решении вопросов безопасного ведения работ при склонности пород к горным ударам. Связано это со спецификой изучения динамических явлений, которая обусловлена почти мгновенным развитием процесса разрушения пород. Вместе с тем их использование, степень реализации и соответственно качество получаемых решений в значительной степени определяется возможностями применяемых вычислительных средств и программного обеспечения.

Исследование закономерностей поведения прочного слоя в почве подготовительной выработки с учетом многообразия геологических и горнотехнических условий ее заложения требует рассмотрения множества различных вариантов. При этом необходимо учитывать как разнообразие геометрических форм структурных элементов среды (слои, выработки, включения, нарушения и т. д.), так и нелинейность процесса деформирования пород. С учетом необходимости оперативного рассмотрения ситуаций развитие исследований по настоящей тематике возможно на основе качественно нового средства исследования, позволяющего осуществлять моделирование изучаемых процессов деформирования и разрушения пород.

В последние годы, в связи с ростом мощности компьютеров и программного обеспечения [12, 55, 56, 92, 105, 128, 190, 229], стало возможным создание автоматизированных комплексов, интегрирующих в себе методы различных областей знаний и обеспечивающие решение конкретной проблемной задачи. Специалисты получили не столько эффективный инструмент вычисления сложных математических формул, что до недавнего времени считалось как достаточное условие, но равно средство для разработки автоматизированных систем имитирования изучаемых процессов. Многие годы отсутствие таких возможностей не позволяло более плодотворно использовать метод конечных элементов [132,133, 165, 226, 227, 258, 262], реализация которого представляла собой весьма трудоемкий процесс.

В настоящее время метод конечных элементов практически стал стандартным методом решения дифференциальных уравнений, которыми, как известно, описываются большинство явлений в природе. Дискретизация объекта (разбивка на элементы) исследований позволяет не только упростить решение задачи, но и открывает широкие возможности для исследования сложных, неоднородных сред, каким является массив горных пород. Вместе с тем использование метода конечных элементов применительно к данной тематике с учетом изложенных требований связана с решением ряда научно-технических вопросов.

Указанные предпосылки обусловили формулирование основной идеи работы: напряженно-деформированное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки можно определять для различных геологических и горнотехнических условий с учетом нагрузок, формирующихся в системе «вы-работка-вмещающие породы» и нелинейности процесса деформирования путем применения компьютерной технологии моделирования, в основе которой реализация метода конечных элементов применительно к задачам теорий упругости и деформационной прочности.

Созданию средства (метода) исследования (компьютерной технологии моделирования), изучению с его помощью закономерностей поведения прочного слоя в почве подготовительной выработки, опираясь при этом на фактические данные о произошедших случаях, интерпретации полученных результатов и разработки принципов борьбы с рассматриваемым видом горных ударов посвящена настоящая работа.

Диссертация представляет собой обобщение и развитие исследований по данной проблеме, выполненных по тематике научно-исследовательских работ ВНИМИ, в которых автор последовательно участвовал как исполнитель, ответственный исполнитель и руководитель работ: «Проведение опытной эксплуатации способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана» (№ ГР 01820074526. - 1985); «Исследования напряженно-деформированного и газогидродинамического состояния защищаемых пластов и вмещающих пород с помощью региональных наблюдательных станций, физического и математического моделирования» (№ ГР 01840060054. - 1985); «Разработка способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана из надработанного горного массива в выработки шахт» (№ ГР 01820074526. - 1986); «Внедрение способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана» (№ ГР 01820074526. -1986); хоздоговоры с ОАО «Воркутауголь» по теме предотвращения динамических разрушений почвы выработок (1992-2002); «Разработка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы в подготовительных выработках» (Государственный контракт № 98-02-3196. - 1999).

Работа состоит из 5 глав.

В первой главе приводится анализ состояния проблемы: рассмотрены условия, в которых происходили горные удары с разрушением пород почвы в подготовительных выработках; разработаны принципиальные схемы условий их проявления; проведен критический обзор работ, касающихся данной проблемы; показаны общие пути развития исследований по динамическим явлениям, определены методы и средства настоящих исследований; а также сформулированы их основные задачи.

Во второй главе приводится разработанный метод исследований: рассмотрены геомеханические предпосылки; описаны алгоритмы всех программных модулей разработанной компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, позволяющей комплексно реализовывать с использованием метода конечных элементов известные решения задач теории упругости и пластичности; приведены тестовые расчеты теоретических и практических примеров, показывающие эффективность разработанного метода исследований.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния различных геологических и горнотехнических факторов на напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки: показаны в рамках упругой модели среды основные факторы, обуславливающие формирование очагов изучаемых горных ударов, что позволило усовершенствовать модель динамического явления.

В четвертой главе приведены результаты исследований механизма разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки при различных условиях его нагружения, показаны разработанные методики расчета энергии, выделяющейся при разрушении прочного слоя и определения его динамичности.

В пятой главе описаны разработанные на основе результатов выполненных исследований принципы прогноза и предотвращения изучаемого вида горных ударов, которые воплощены в практические рекомендации: приведены метод прогноза и способы предотвращения горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, показаны условия проведения и результаты промышленных испытаний разработанных рекомендаций, которые составной частью вошли в основной по горным ударам нормативный документ: «Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. На напряженное состояние прочного слоя, залегающего в почве подготовительной выработки, влияет ее форма. Наибольшая напряженность прочного слоя, определяющая опасность настоящих горных ударов, возникает у выработок с прямоугольной формой сечения, а наименьшая - у выработок круглого сечения.

5. Ориентировочные оценки динамичности возможного разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки можно получать на основе подсчета энергии упругого деформирования вмещающих пород. При этом, чем больше превышение энергии, расходующейся на деформирование пород почвы выработки, над энергией, запасаемой в прочном слое, тем выше эффект разрушения следует ожидать.

Автор выражает глубокую благодарность академику РАЕН, д-ру техн. наук И. М. Петухову за консультации и большое внимание к работе и канд. техн. наук В. С. Сидорову за полезные советы на всех стадиях исследований по настоящей проблеме.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Мустафин, Мурат Газизович

Основные результаты и выводы:

1. Разработанные научные основы прогноза и предупреждения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках позволили создать инженерные методики, которые воплощены в практические рекомендации, выдержали промышленную проверку, внедрены на производстве и включены в «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам».

2. Разработанная и апробированная при проведении промышленных испытаний модель очагов горных ударов с разрушением пород почвы подготовительных выработок, представляющая собой систему «выработка-вмещающие породы», существенно повысила ее адекватность реальным условия их формирования и обеспечила развитие методов их прогноза и предотвращения.

3. Впервые получено решение нелинейной задачи о деформировании прочного слоя в почве подготовительной выработки, позволившее установить механизмы его разрушения при различных условиях нагружения. Для того чтобы разрушение прочного слоя имело бурный характер, свойственный горным ударам, необходимо достижение критических напряжений в прочном слое и под серединой выработки (горизонтальные), и у границ выработки (касательные). Показано отличие процесса разрушения прочного слоя при постепенном его нагружении, и когда разово задана относительно большая нагрузка. В одних и тех же геологических условиях заложения выработки в первом случае разрушение прочного слоя может протекать квазиплавно, а во втором иметь бурный характер. Обнаружено также, что при моделировании разрушения прочного слоя с использованием диаграммы деформирования с идеальной хрупкостью за пределом его прочности, разрушение прочного слоя наступает при нагрузках примерно на 30% меньших, чем при использовании идеальной пластичности за пределом прочности. На напряженное состояние прочного слоя в почве подготовительной выработки влияет упругость и прочность боковых пород, по которым пройдена выработка. Увеличение жесткости и прочности боковых пород приводит к возрастанию в прочном слое касательных напряжений и опасности проявления горного удара, а их снижение — к обратному эффекту, который может быть использован в качестве меры предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках.

4. Разработан метод прогноза горных ударов с разрушением почвы подготовительных выработок, состоящий из двух этапов. В первом на основе рассмотрения соотношений мощности прочного слоя и ширины выработки определяется потенциальная опасность динамического явления, а на втором, при положительном результате первого этапа, расчетным способом с использованием компьютерной технологии моделирования процесса разрушения прочного слоя прогнозируется возможность горного удара для конкретной горнотехнической ситуации. При этом, прочный слой породы, преимущественно, должен принадлежать к скальной группе пород, а отношение ширины выработки к мощности прочного слоя составлять интервал от 2 до 6.

7. Разработанное средство исследований - компьютерная технология моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, может быть использована при решении ряда вопросов геомеханики как оперативное средство оценки геомеханической обстановки конкретного региона, а также при создании специализированных информационных, экспертных или мониторинговых систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Мустафин, Мурат Газизович, Санкт-Петербург

1. А.с. СССР № 1317149, Е 21 5/00. Способ защиты угольного пласта от горных ударов и внезапных выбросов угля и газа // Е. В. Гончаров, Н. В. Кротов, В. П. Кузнецов, М. Г. Мустафин и др. (СССР). - № 3988938/22-03; -Опубл. 15.06.87, Бюл. № 22.

2. А.с. СССР № 1435800, Е 21 5/00. Способ дегазации выбросоопасных и газоносных пластов угля // В. П. Кузнецов, Е. В. Гончаров, М. Г. Мустафин и др. (СССР). № 4167680; - Опубл. 8.07.88, Бюл. № 41.

3. Абдылдаев Э. К. Исследование путей решения задач горной геомеханики методом конечных элементов с учетом разрыхляемости и разупрочнения горных пород. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, JL, 1980. (ВНИМИ).

4. Авершин С. Г. Горные удары. М., Углетехиздат, 1955.

5. Авершин С. Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. -М.: Углетехиздат, 1947.

6. Авершин С. Г. Горное давление в одиночных подземных выработках. -Фрунзе, Издательство Академии наук Киргизской ССР, 1976.

7. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М., Госгортехиздат, 1961.

8. Айталиев Ш. М., Такишов А. А. Управление сводообразованием при камерно-столбовой системе отработки. Ч. I: Напряженное и деформированное состояние массива. ФТПРПИ, 2000, № 2

9. Акимов А. Г., Козел А. М. Защита вертикальных стволов шахт от влияния очистных работ. М.: Недра, 1969.

10. Ю.Александров А. В., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. шк., 1990. - 400 с.

11. И.Александровский А.Д. Delphi 5 для профессионалов. Издательство «ДМК», 2000.

12. Аммерал. JI. Принципы программирования в машинной графике. М.: Сол Систем. - 1992.

13. Амусин Б. 3. Геомеханические основы определения параметров, расчета и автоматизированного проектирования крепи капитальных выработок угольных шахт. Автореф. дисс. . докт. техн. наук, JI., 1989. (ВНИМИ).

14. Ануфриев В. Е., Ремезов А. В., Тризно С. К., Дубровский В. И. Проявление горного давления в окрестности охраняемой для повторного использования выработки в зависимости от свойств опор и технологии их применения // Уголь.-1992.-№ 9.- С.20-23.

15. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета конструкций с применением матриц. М., ИЛ, 1968.

16. Ардашев К. А., Ахматов В. И., Катков Г. А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления: Справочник. М.: Недра, 1981.

17. Баклашов И. В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988.

18. Баренблатт Л. И. О некоторых общих представлениях математической теории хрупкого разрушения. «Прикладная математика и механика», т. 28, 1964, №4, с. 630-643.

19. Барулин А. И. Разработка методов решения объемных задач устойчивости откосов. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, Л., 1985. (ВНИМИ).

20. Барышников В. Д., Коврижных А. М. Анализ опытных данных на обобщенное сжатие горных пород с позиций различных упругопластических теорий. ФТПРПИ, 2000, № 4.

21. Батугин А. С. Разработка метода оценки напряженного состояния массива горных пород на основе изучения его тектонической нарушенности и блочного строения. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, JI., 1987. (ВНИМИ).

22. Батугина И. М., Петухов И. М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. М.: Недра, 1988.

23. Бахвалов С. В. Бабушкин JI. И. Иваницкая В. П. Аналитическая геометрия. М.: Просвещение, 1970.

24. Бахурин И. М. Вопросы маркшейдерского искусства. М.; J1.: Гео-лразведиздат, 1936.

25. Бенявски 3. Управление горным давлением. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-254 с.

26. Биргер И. А. Расчет конструкций с учетом пластичности и ползучести. «Известия АН СССР. Механика», 1965, № 2, с. 113-119.

27. Бирюков Ю. М. Разработка способов предотвращения внезапных прорывов метана из почвы выработок, проводимых по мощным выбросоопасным пластам. Автореф. дисс. . канд. техн. наук М., 1986. - 16 с.

28. Бич Я. А., Мельков А. Д., Дьяконов Ю. Я. Предотвращение горных ударов при разработке антрацитовых пластов М.: Недра, 1993. - 160 с.

29. Бобров И. В., Кричевский Р. М. Борьба с внезапными выбросами угля и газа. Киев, Техника. 1964.

30. Бобров И. В., Шатилов В. А. Внезапные поднятия пород при проходке вертикальных стволов шахт // Уголь. 1955. - № 11. - С. 21-23.

31. Большинский М. И. Природа и механика газодинамических явлений в шахтах и принципы их предотвращения // Уголь Украины.- 1978. -№ 9. С. 30-33.

32. Болтенгаген И. JI. Моделирование начальных напряжений и поверхностей ослабления методом конечных элементов. ФТПРПИ, 1999, № 2.

33. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра. -1980.-360 с.

34. Борщ-Компониец В. И. Механика горных пород, массивов и горное давление. М., 1968. - 484 с.

35. Борьба с горными ударами на шахтах Воркутинского месторождения / В. П. Кузнецов, А. В. Орешкин, И. М. Петухов, П. А. Рейпольский, И. А. Фельдман. Сыктывкар: Коми кн. изд-во, 1984.

36. Ботвинник А. А. Разработка методов моделирования горно-геометрических объектов при проектировании и планировании открытой угледобычи. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, Новосибирск, 2000. (ИГД СО РАН).

37. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1989.

38. Быков В. Г. Математическое моделирование скольжения в горной породе по неровному разрыву. ФТПРПИ, 2000, № 3.

39. Ван Тассел Д. Стиль, разработка, эффективность, отладка и испытание программ. Пер. с англ. М.: Мир, 1981.

40. Виноградов В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. Киев: Наукова думка, 1989. - 192с.

41. Внедрение способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана // Отчет о НИР / Руководитель темы И. М. Петухов, руководитель работы В. П. Кузнецов. № ГР 01820074526; инв. № 028600112164. Л.: ВНИМИ, 1986.

42. Внезапные разрушения почвы и прорывы метана в выработки угольных шахт. / А. М Морев, Л. А. Скляров И. М Большинский С. М. Клойзнер, В.Т. Водолазский, В. В. Шерсткин М.: «Недра», 1992. 174 с.

43. Воскобоев Ф. Н. Исследование способов управления горным давлением при разработке тонких и средней мощности крутых угольных пластов в сложных горно-геологических условиях. Автореф. дисс. . д-ра. техн. наук. -Л., 1974.-41 с. (ЛГИ).

44. Временное руководство и методика проведения промышленных испытаний способа предотвращения динамического разрушения почвы подготовительных выработок. Санкт-Петербург, Воркута, 1996 (Минтопэнерго РФ, ВНИМИ).

45. Вуд Б., Фрейзер Д. Основы термодинамики для геологов. М.: Мир, 1981.

46. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Физматгиз, 1963.

47. Выпучивание и разрушение плоских подкрепленных панелей. Yusuff S. «J/ Aircraft», 1976, 13, № 3, 198-204 (англ).

48. Гончаров Е. В., Мустафин М. Г. Формирование трещиноватых и разгруженных зон около очистной выработки // Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений. Сб. науч. тр. Л., ВНИМИ, 1990, с. 171-176.

49. Горные удары и борьба сними на шахтах Кизеловского бассейна / И. М. Петухов, В.'А. Литвин, Л. В. Кучерский и др. М.: Недра, 1972.

50. Громов Ю. В., Бычков Ю. Н., Кругликов В. П. Управление горным давлением при разработке мощных пологих пластов угля. М.: Недра, 1985.

51. Гурич А. А. , Кузнецов В. П., Сидоров В. С. , Филиппов Н. А. О механизме внезапных поднятий пород почвы выработки. Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского. 1983. - Вып. 217. - С. 37-41.

52. Гурьянов В. В., Слюсарев Н. И., Шик В. М., Зуев Б. Ю., Карманский А. Т., Мустафин М. Г. Исследование процессов деформирования массива при заблаговременном извлечении метана из угольных пластов // Уголь в XXI веке. СПб.: СПГГИ, 2000, с. 41.

53. Дантеманн Д., Мишел Д., Тейлор Д. Программирование в среде Delphi. Киев:НИПФ «ДиаСофт Лтд», 1995.

54. Дарахвелидзе П., Макаров Е. Дельфи среда визуального программирования. - BHV, 1996.

55. Динник А. Н., Савин Г. Н., Моргаевский А. Б. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок // Труды совещания по управлению горным давлением / АН СССР. М., 1938.- С. 7-55.

56. Докукин А. В., Чирков С.Е., Норель Б. К. Моделирование предельно-напряженного состояния угольных пластов. М.: Наука, 1981.-150 с.

57. Дрижд Н. А., Бирюков Ю. М., Карагодин JI. Н. и др. Профилактика внезапных поднятий почвы // Безопасность труда в промышленности. 1982. -№5.-С. 20-21.

58. Дудырев И. Я., Колесников JI. А. Горные удары пород почвы можно предотвратить// Безопасность труда в промышленности. 1963. -№ 11. - С. 21-23.

59. Еременко А. А., Гайдин А. П., Ваганова В. А., Еременко В. А. О критерии удароопасности массива горных пород. ФТПРПИ, 1999, № 6

60. Ержанов Ж. С. Теория ползучести горных пород и ее приложение. -Алма-Ата, «Наука», 1964.

61. Жданкин Н. А., Жданкин А. А. Геомеханика горных выработок. Сопряжение лава-штрек. Новосибирск: Наука, 1990.-112 с.

62. Желтов Ю. П. Деформации горных пород. М. «Недра», 1966.

63. Жемочкин Б. Н. Теория упругости. М.: Госстройиздат, 1957.

64. Жигалкин В. М., Усольцева О. М. О характере упрочнения первоначально ортотропного материала при простом и сложном нагружениях. Сообщение II.-ФТПРПИ, 1999, №5.

65. Зорин А. Н. Управление динамическими проявлениями горного давления. М.: Недра, 1978. - 175 с.

66. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: УрО РАН, 2001.-335 с.

67. Зубов В. П. Особенности управления горным давлением в лавах на больших глубинах разработки. Л.: Издательство Ленинградского университета. 1990.-224 с.

68. Изаксон Ю. В. Об устойчивости незакрепленных горных выработок. В сб.: «Проектирование и строительство угольных предприятий», № 4 (112) М., «Недра», 1968.

69. Изучение механизма внезапных разрушений вмещающих пород с прорывом метана и предупреждение опасных прорывов метана / Отчет о НИР рук. Н. А. Филиппов, № ГР 01820074526. Л.: ВНИМИ, 1984.

70. Изучение проявлений горного давления на моделях / Г. Н. Кузнецов, М. Н. Будко, А. А. Филиппова, М. Ф. Шклярский. М., Углетехиздат, 1959.

71. Ильюшин А. А. Пластичность. М.-Л.: ГИТТЛ, 1948.

72. Инженерная геология. Инженерная петрология. Ломтадзе В. Д. Л., «Недра», 1970. 528 с.

73. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам (к главе II Правил безопасности на угольных шахтах). СПб.: ВНИМИ, 1999. (Министерство энергетики РФ, ВНИМИ).

74. Инструкция по прогнозу и предупреждению внезапных прорывов метана из почвы горных выработок. Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1987. - 29 с.

75. Йенсен К., Вирт Н. Паскаль: Руководство для пользователей и описание языка: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1982.

76. Калверт Ч. Delphi 2/4. Энциклопедия пользователя. Киев: ДиаСофт, 2000.

77. Каспарьян Э. В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. -Л., Наука, 1985, 183 с.

78. Каталог горных ударов на шахтах СССР / И. М. Петухов, Б. Ш. Винокур, Ф. В. Сысолятин и др. Л.: ВНИМИ, 1973.

79. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах Л.: ВНИМИ, 1983. - 120 с.

80. Каталог динамических разломов почвы горных выработок на угольных шахтах (дополнение к каталогу 1983 г.) Л.: ВНИМИ, 1986. - 88 с.

81. Кашников Ю. А., Ашихмин С. Г. Численная модель для расчета сдвижений горных пород при добыче нефти // Проблемы механики горных пород / Сборник научных трудов 11-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт- Петербург: СГТГАСУ, 1997.

82. Кияшко И. А. Процессы подземных горных работ. -К.: Вища школа, 1984.-225 с.

83. Клетеник Д. В. Сборник задач по аналитической геометрии. М., Высшая школа, 1972.

84. Ю1.Клишин В, Климов В., Пирогова М. Интегрированные технологии CV // Открытые системы, № 2, 1997. С. 67-72.

85. Кпойзнер С. М. Метод прогноза внезапных разрушений пород почвы горных выработок на газовых угольных шахтах: Автореф. дисс. канд. техн. наук Макеевка: МакНИИ, 1987, - 17 с.

86. Коврижных А. М. Численное моделирование процесса разрушения горных пород. ФТПРПИ, 2000, № 2.

87. Коновалов А.Н. Введение в вычислительные методы линейной алгебры / Отв. ред. Г. А. Михайлов; Рос. акад. наук. Сиб. отд. ВЦ. Новосибирск: Наука, 1993.- 158 с.

88. Конопка Р. Создание оригинальных компонент в среде Delphi. Киев: ДиаСофт, 1996. - 512 с.

89. Константинова С. А., Хронусов В. В. Проявление горного давления вокруг подземных выработок в калийных рудниках в случае негидростатического начального напряженного состояния массива. ФТПРПИ, 1999, № 2.

90. Копылов А. И., Назимко В. В. Механизмы деформирования надраба-тываемых выработок // Уголь Украины. 1994 - № 5. - С. 10-12.

91. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. - 1974.

92. Костоманов А. И., Сапицкий К. Ф. Устойчивость подготовительных выработок при разработке свиты пологих пластов. М.: Недра, 1987. - 119 с.

93. Кривулин Н. Г., Новичихин И. А., Будков В. Е. Внезапное разрушение пород почвы в дегазационной камере на шахте «Донецкая». Уголь Украины, 1976, №12, с. 38.

94. Кротов Н. В. Разработка инженерного метода расчета границ защитного действия при повторных надработках выбросоопасных угольных пластов. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, JI., 1984. (ВНИМИ).

95. Кузнецов В. П., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. Прогноз и предотвращение горных ударов с разрушением почвы выработок // Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. JI., ВНИМИ, 1994, с. 34.

96. Кузнецов Г. Н. Графические методы оценки предельных состояний трещиноватого массива вокруг горных выработок // Современные проблемы механики горных пород. JI.: Наука, 1972.

97. Кузнецов С. Т. , Воронин И. Н. Методическое пособие по изучению слоистости и прогнозу расслаиваемости осадочных горных пород. J1., ВНИМИ, 1967.-84 с.

98. Курков С. В. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов. СПб.: Политехника, 1991.

99. Курленя М. В., Миренков В. Е., Шутов А. В. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород в зоне взаимного влияния выработок. ФТПРПИ, 2000, № 3.

100. Ланкастер П. Теория матриц. М.: Наука, 1982.

101. Либерман Ю. М. Давление на крепь капитальных выработок. М., Наука, 1969.

102. Лодус Е. В. Энергообмен при деформировании и разрушении горных пород. Автореф. дисс. . докт. техн. наук, С.-Петербург, 1993. (ВНИМИ).

103. Ломакин Е. А., Мироненко В. А., Шестаков В. М. Численное моделирование геофильтрации М.: Недра, 1988. - 288 с.

104. Лютгендорф Г. Конвергенция горных выработок в упругом массиве при колебаниях горного давления. Глюкауф, 1975, 2.

105. Мапинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., «Машиностроение», 1975.

106. Маркшейдерское дело: Учеб. для вузов / Д. Н. Оглоблин, П. П. Бас-тан, Г. И. Герасименко и др. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1972.

107. Мартинес Ф. Синтез изображений. Принципы, аппаратное и программное обеспечение. М.: Радио и связь, 1990.

108. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. 3-е изд. - М.: Наука, 1989.

109. Матвеев Б. В. Зависимость разрушения горных пород от способа нагру-жения. // Сборник трудов семинара. Физика и механика разрушения горных пород применительно к горной геомеханике и сейсмологии. СПб.: ВНИМИ, 1993.

110. Мгалобелов Ю. Б. О сопряжении бетонных плотин со скальным основанием. Проблемы механики горных пород. Труды 11-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт-Петербург 9-11 сентября 1997 г.

111. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Ержа-нов Ж. С., Каримбаев Т. Д. Алма-Ата, Наука КазССР, 1975.

112. Метод конечных элементов: Учебное пособие для вузов / Под ред. П. М. Варвака. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981.

113. Методика определения показателей статической упругости горных пород / Б. В. Матвеев. JI.: ВНИМИ, 1961.

114. Методические указания по использованию программ для расчета и графического построения напряжений в массиве горных пород около выработок / В. А. Белослудцев, С. И. Войцеховская, В. В. Зубков и др.. JL: ВНИМИ, 1981.

115. Методические указания по определению прочности трещиноватого массива горных пород / Сост. Г. Н. Кузнецов, JI: ВНИМИ, 1991.

116. Методические указания по расчету напряжений в зонах влияния очистных выработок. — Л., 1989, 56 с. (Минуглепром СССР, ВНИМИ).

117. Методические указания по решению плоской задачи теории упругости методом конечных элементов / ВНИМИ Б. 3. Амусин, А. Б. Фадеев. и др. -Л.: ВНИМИ, 1973.

118. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г. Н. Кузнецов, К. А. Ардашев, Н. А. Филатов и др. М.: Недра, 1987.

119. Механизм инициирования динамических явлений в подготовительных забоях / Ж.С. Ержанов, Ю. А. Векслер, Н. А. Жданкин, С. Б. Колоколов. -Алма-Ата: Наука, 1984. 224 с.

120. Механика горных пород / В. Г. Ильюшенко, В. В. Пудак, А. А. Лев-шин, С. И. Егоров. Донецк, 1994. - 366 с.

121. Механика и физика динамических явлений в шахтах. Зорин А. Н., Колесников В. Г., Софийский К. К., Папырин А. Ф., Прусова А. А. Киев, Нау-кова Думка, 1979.143. Мироненко В. А. Шестаков В. М. Основы гидрогеомеханики. - М.:1. Недра, 1974.

122. Михайлов А. М. Напряженное состояние массива горных пород в окрестности пласта с выработкой. Трехмерная задача. ФТПРПИ, 1999, № 5.

123. Моделирование проявлениий горного давления // Кузнецов Г. Н., Будько М. Н., Васильев Ю. И., Шклярский М. Ф., Юревич Г. Г. М.: Недра, 1968.-280 с.

124. Морев А. М. , Клойзнер С. М. Внезапные разломы почвы и прорывы метана в выработки шахт. Уголь Украины. 1983. 10. - С. 13-15.

125. Мудров А. Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск, МП «Раско», 1992.

126. Мустафин М. Г. Геомеханическая модель системы «выработка -вмещающие породы» и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. С.-Петербург, ВНИМИ, 1999.

127. Мустафин М. Г. К созданию экспертной системы прогноза устойчивости горных выработок // Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики / Международная конференция. СПб.: ВНИМИ, 1996. - С. 307-311.

128. Мустафин М. Г. Моделирование геомеханического состояния пород, вмещающих горную выработку // 56-я научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов. СПб.: СПбГАСУ, 1999.-С. 56.

129. Мустафин М. Г. Определение критерия возникновения динамических разломов почвы выработок // ЦНИЭИуголь. -1987. Реф. на картах. - Вып. 4. Карта 126.

130. Мустафин М. Г. Опыт геодинамического районирования в Казахстане для решения вопросов безопасности горных работ // 1-я Международная конференция- «Экология и развитие Северо-Запада». Санкт-Петербург, 1995.-С. 167-168.

131. Мустафин М. Г. Оценка напряженного состояния в окрестности выработок с учетом блочного строения массива горных пород // Геомеханика в горном деле 2000. Международн конференция. - Екатеринбург, 2000. - С. 89.

132. Мустафин М. Г. Разработка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы выработок на основе изучения напряженного состояния горного массива. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, J1., 1989. (ВНИМИ).

133. Мустафин М. Г., Сидоров В. С., Филиппов Н. А. Динамические разломы пород почвы горных выработок под действием газа // ЦНИЭИуголь. -1986. Реф. на картах. - Вып. 5. Карта 70.

134. Мустафин М. Г., Петухов И. М. Механизм и энергия разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГГУ, 2002.-№ 10. С. 36-41.

135. Мустафин М. Г., Петухов И. М. Об основных факторах, обуславливающих возникновение горных ударов с разрушением почвы выработок.

136. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2002. -№ 11.-С. 17-22.

137. Мустафин М. Г. Предупреждение динамических разрушений прочных слоев пород в почве подготовительных выработок // Записки горного института. СПб.: СПГГИ, 2003. -Т. 153. - С. 88-89.

138. Николаевский В. Н. Геомеханика и флюидодинамика. С приложениями к проблемам газовых и нефтяных пластов. М., 1997, 447 с.

139. Николин В. И., Агафонов А. В., Малюга М. Ф., Гончаров А. Д. Влияние состава пород междупластья на параметры зон защиты и его классификация // Уголь Украины. 1998. - № 1. - С. 32-35.

140. Новый подход к оценке эффекта разгрузки выбросоопасного массива при его надработке // В. И. Николин, А. П. Калфакчиян, И. А. Бобров и др. Безопасность труда в промышленности. 1997. -№ 11. - С. 31-33.

141. Норватов Ю. А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. JI.: Недра, 1988.

142. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. - 304 с.

143. Одинцев В.Н. Закономерности образования отрывных трещин в горных породах вблизи выработок на больших глубинах. / Автореф. дисс. . докт. техн. наук. М.: ИПКОН РАН, 1998.

144. Основы математического моделирования разрушения / М. В. Курле-ня, В. Е. Миренков, А. В. Шутов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - 168 с.

145. Павлова Н. Н. Деформационные и коллекторские свойства горных пород. М. «Недра», 1975.

146. Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. -Киев, Наукова Думка, 1968.

147. Патент РФ № 1800055. Способ защиты от газодинамических явлений на больших глубинах / Н. В. Кротов, Е. В. Гончаров, В. С. Сидоров, JI. А. Гончарова, М. Г. Мустафин, Ю. М. Бирюков, А. К. Калачик. Опубл. 7.03.93. Бюл. № 9.

148. Патент РФ № 2019707. Способ прогноза опасных проявлений горного давления / Н. В. Кротов, Е. В. Гончаров, В. А. Белослудцев, М. Г. Мустафин, А. К. Горенок Опубл. 15.09.94. Бюл. № 17.

149. Перминов О. Н. Язык программирования Паскаль: Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

150. Перспективные геомеханические схемы регионального управления выбросоопасным состоянием массива при разработке свит угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна. JI., ВНИМИ, 1990.

151. Перспективные геомеханические схемы регионального управления выбросоопасным состоянием массива при разработке свит угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна. JI. - 1991. - 54 с. (Минуглепром СССР, ВНИМИ).

152. Петухов И. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов. -М.: Недра, 1983,

153. Петухов И. М., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. О прогнозировании динамических разломов в кровле очистной выработки. В кн.: Горные удары. Шахтная геология и геофизика: Сб. науч. тр. Л., ВНИМИ, 1988. - С. 78-81.

154. Петухов И. М., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. Об энергии и последствиях проявления горных ударов с разрушением кровли выработок. Реферат доклада // Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. Л., ВНИМИ, 1994. С. 14.

155. Петухов. И. М. Горные удары в Кизеловском бассейне. Пермь: Кн. изд-во, 1957.

156. Петухов. И. М. Горные удары на угольных шахтах. М.: Недра, 1972.

157. Пол Туротт, Гарри Брент, Ричард Багдазиан, Стив Тендон. Супербиблия Delphi 3. Издательство «DiaSoft», 1997.

158. Постников М. И. Лекции по аналитической геометрии М., 1979.

159. Применение метода конечных элементов при выполнении курсовых работ по строительным дисциплинам: Учебное пособие / А. Б. Фадеев,

160. B. Н. Парамонов, П. И. Репина, Л. А. Глыбин, К. Г. Шашкин; СпбГАСУ, 1997.

161. Проблемы механики горных пород. Труды 11-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт-Петербург 9-11 сентября 1997 .

162. Проведение опытной эксплуатации способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана // Отчет о НИР / Руководитель темы И. М. Петухов, руководитель работы В. П. Кузнецов. № ГР 01820074526; инв. №028600112198.-Л.: ВНИМИ, 1985.

163. Проскуряков Н. М. Управление состоянием массива горных пород. -М.: Недра, 1991.-368 с.

164. Протодьяконов М. М. Чирков Е. С. Трещиноватость и прочность горных пород в массиве. М.: Наука, 1964.

165. Протосеня А. Г., Александров В. А. К построению модели смешанного разрушения горных пород и твердых тел. ФТПРПИ, 1986, № 3. - С. 39-46.

166. Прочность и деформируемость горных пород / Ю. М. Карташов, Б. В. Матвеев, Г. В. Михеев, А. Б. Фадеев. М.: Недра, 1979.

167. Пыхалов А. А. Компьютерные технологии в инженерном моделировании // "Компьютерное обозрение", 1998, № 4 (35).

168. Работа Э. Н. Теоретические аспекты геомеханики и их использование в компьютерном моделировании геомеханических процессов при техногенных проявлениях горного давления // Горная геомеханика и маркшейдерское дело.

169. C. Петербург, ВНИМИ, 1999. - С. 104-116.

170. Разработка общей теории динамических и газодинамических явлений / Отчет о НИР по теме № 0200803000, № ГР 01830079368. Л.: ВНИМИ, 1985.

171. Разработка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы выработок на основе изучения напряженного состояния горного массива// М. Г. Мустафин. Дисс. . канд. техн. наук, Л., 1989. (ВНИМИ).

172. Разработать рекомендации по предотвращению динамических разрушений почвы выработок (ДРПВ) и выполнить по ним комплекс прогнозных и профилактических мероприятий с контролем их эффективности геофизическими методами // Отчет о НИР, СПб., ВНИМИ, 1996.

173. Разработка научного обоснования и выдача заключения о возможности динамических разломов почвы в конвейерных штреках 912-е и 1112-е при отработке лавы 912-е пласта Пц (шахта «Северная» ПО «Воркутауголь») / Отчет О НИР, Л., ВНИМИ, 1993.

174. Разработка способов прогноза и предупреждения динамических разломов почвы в подготовительных выработках. Отчет о НИР (Государственный контракт № 98-02-3196)/ВНИМИ, СПб., 1999.

175. Разработка способов прогноза и предупреждения опасных прорывов метана из надработанного горного массива в выработки шахт / Отчет о НИР №ГР 01820074526. Л.: ВНИМИ, 1986.

176. Распределение напряжений в породных массивах / Г. А. Крупенни-ков, Н. А. Филатов, Б. 3. Амусин, В. А. Барковский. М.: Недра, 1972.

177. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидоров и др. М.: Недра, 1992- 256 с.

178. Родионов В. Н., Сизов И. А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра,. 1986.-301 с.

179. Розенбаум М. А. Геомеханические основы управления горным давлением при разработке угольных пластов в зоне многолетней мерзлоты. Автореф. дисс. . д-ра. техн. наук. СПб, 1996. - 40 с.

180. Руппенейт К. В. Механические свойства горных пород. М., Угле-техиздат, 1956.

181. Рыскелдиев У. А. Разработка метода решения пространственной задачи о распределении напряжений вблизи камерных выработок. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. АН РК, Институт физики и механики горных пород. Бишкек, 1992.-20 с.

182. Самарский А. А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982.

183. Савостьянов А, В., Руденко Н. К., Кравцов В. Н. Влияние пород почвы разрабатываемого пласта на распределение напряжений // Уголь Украины, 1976, № 5. С.24-25.

184. Сидоров В. С. Исследование границ и степени действия защитных пластов на основе решения пространственной задачи о распределении напряжений около очистных выработок. Автореф. дисс. . канд. техн. наук, М., 1971. - (ИГД им. А. А. Скочинского).

185. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

186. Сироткин Ю. С., Горохов К. И. Оценка напряженного состояния опорных контуров лав // Уголь. 1986. - № 9. - С. 15-17.

187. Скляров JI. А., Водолазский В. Т., Шерсткин В. В. Прогноз и предупреждение прорывов метана из почвы выработок. ЦНИЭИуголь. 1984. -Вып. 6.-29 с.

188. Совершенствование способа бурения пластовых скважин большого диаметра для разгрузки пород почвы подготовительных выработок / Отчет о НИР. СПб: ВНИМИ, 2001.

189. Спроге А. О., Ведяшкин А. С., Гончаров Е. В., Деформирование подрабатываемого массива горных пород на шахте «Молодежная» // Уголь. -1989. № 6. - С. 22-25.

190. Ставрогин А. Н., Георгиевский В. С. Влияние вида нагружения на процесс деформирования горных пород // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ / Сб. науч. тр. JI., ВНИМИ, 1968. С. 279-289.

191. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород.-М.: «Недра», 1992. -224 с.

192. Ставрогин А. Н., Тарасов Б. Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: «Наука», 2001. - 343 с.

193. Тарасов Б. Г. Баланс энергии хрупкого разрушения в условиях объемного напряженного состояния. ФТПРПИ, 1989, № 2. - С. 11-18.

194. Теория, защитных пластов / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидоров И. А. Фельдман. М., Недра, 1976.

195. Теркот Д., Шуберт Дж., Геодинамика. М.: Мир, 1985.

196. Тетеревенков В. В. Суфляры на шахтах Донбасса. М.: Углетехиздат, 1952.-47 с.

197. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.

198. Трубецкой К. Н., Иофис М. А., Кузнецов С. В., Трофимов В. А. Основные закономерности оседания подрабатываемой толщи горных пород и прогиба зависающей кровли на малых и больших глубинах. ФТПРПИ, 1999, № 3.

199. Турчак Л. И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987.

200. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. Л.: Недра, 1977.

201. Управление геомеханическим состоянием массива горных пород. -СПб.: ВНИМИ, 1994.

202. Усков В. А. Характеристика устойчивости пород по скорости смещения контура выработки. ФТПРПИ, 1999, № 6.

203. Ухов С. Б. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов. М. Изд-во МИСИ, 1973.

204. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

205. Фармер Я. Выработки угольных шахт. М.: Недра, 1990. - 269 с.

206. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. Москва: Нолидж, 1999.

207. Филиппов Н. А. Разработка метода расчета напряжений и границ защищенных зон в слоистом массиве горных пород. Автореф. дисс. . канд. техн. наук,-Л., 1977. (ВНИМИ).

208. Фисенко Г. Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М., Недра, 1976.

209. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980.

210. Фотиева Н. Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974.

211. Фролов М. А., Бобров А. И. Суфлярные выделения метана в угольных шахтах. М.: Недра, 1971.

212. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Госгортехиздат, 1961.

213. Христианович С. А., Салганик Р. Л. Внезапные выбросы угля (породы) и газа. Напряжения и деформации / Препринт Ин-та пробл. механики АН СССР.-М.- 1980. -№153.

214. Чанышев А. И. Об одном представлении упругих и пластических деформаций первоначально ортотропного тела. ФТПРПИ, 2000, № 3.

215. Черняк И. Л. Повышение устойчивости выработок. М.: Недра, 1993.-256 с.

216. Черняк И. Л., Ярунин С. А. Управление состоянием массива горных пород. -М.: Недра. 1995. - 395 с.

217. Шабаров А. Н., Кротов Н. В., Сидоров В. С., Мустафин М. Г. Неоднородность массива и ее учет при планировании горных работ // Геомеханика вгорном деле 2000. Международн конференция. - Екатеринбург, 2000. -С.114-115.

218. Шатилов В. А. Внезапные поднятия и выбросы пород на шахтах. -Киев: Технжа, 1972.

219. Шик В. М., Бич Я. А. Динамическое воздействие пород основной кровли на выработки. М.: Недра, Уголь, 1987, № 4.

220. Яковлев Д. В., Тарасов Б. Г. Структура, напряженное состояние и динамика горного массива // Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики / Международная конференция. СПб.: ВНИМИ, 1996. - С. 91-104.

221. Яковлев Д. В. Геомеханика и маркшейдерия как система знаний о геологической среде // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. С.-Петербург, ВНИМИ, 1999. С. 3-4.

222. Якоби О. Практика управления горным давлением. М.: Недра, 1987.-566 с.

223. Computational Mechanics. New Trends and Applications. Idelsohn S., Onate E., Dvorkin E. (Eds.) CIMNE, Barcelona, Spain, 1998.

224. Cundall P. A., Strack O. D. L. A discrete numerical model for granular assemblies // Geotechnique, 29. 1979. - № 1. - P. 47-65.

225. Gallagher Richard H. Finite Element Analysis: Fundamentals. New Jersey: Prentice-Hall, 1976.

226. Geoecology and Computers. Yufin S. A. A. A. Balkema / Rotterdam / Brookfield / 2000, 540 p.

227. Goodman R. E., Taylor R. L., Brekke T. L. A model for mechanics of jointed rock. J Soil Mechanics & Foundation Division. ASCE 94, SM3, 1968.

228. Naylor D. J. and Pande G. N. Finite elements in geotechnical engineering, Pineridge Press, 1981, second edition 1984.

229. Pastor M., Zienkiewicz О. C., and Chan A. C. (1990), Generalized Plasticity and the Modelling of Soil Behavior. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech., Vol. 14, pp. 151-190.

230. Segerlind L. J. Applied Finite Element Analysis. London: John Wiley, 1975.

231. Turner M. J., Clough R. W., Martin H. C., Topp L. P. Stiffness and deflection analysis of complex structures. J. Aeron. Sci., 1956, № 23, pp. 805-823, 854.

232. Williams J. R. and Mustoe G. G. W. Proc. 2nd U. S. Conf. on Discrete Element Methods, MIT, Massachusetts, USA, March, 1993.

233. Herget, G., 1988, Stresses in Rock, A.A. Balkema, 179 pages.

234. Zienkiewicz О. C. The Finite Element Method in Engineering Science. London, Mc. Graw-Hill, 1971.

235. Zienkiewicz О. C., Irons В. M., Scott F. C. and Cambell. "3-Dimensional Stress Analysis" p.413-432. 'High Speed Computing of Elastic Structures' IUTAM Symp. Univ. of Liege. 1971.

236. Zienkiewicz, О. C. and Mroz Z. (1984), Generalized Plasticity Formulation and Application to Geomechanics. Mech. Eng. Materials, John Wiley & Sons, pp. 655-679.

Информация о работе

Мустафин, Мурат Газизович
доктора технических наук
Санкт-Петербург, 2003
ВАК 25.00.20

Диссертация

Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы