Разработка новых информационных технологий оценки напряженно-деформированного состояния горных пород (рук.; чл.-корр. НАНУ д.т.н. Круковский А.П. ; д.т.н. Слащёв И.Н.)
В ИГТМ НАН Украины разработаны три программных комплекса для расчетов геомеханического состояния породного массива. Программные системы реализуют три взаимодополняющих методологии прогноза напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
Прогнозирование геомеханических условий отработки угольных пластов служит фундаментом для разработки эффективных и безопасных технологий горных работ. Поэтому решение проблемы геомеханической безопасности может быть выполнен на научно-технической базе прогнозирования геомеханических и газодинамических процессов современными информационными технологиями. Вместе с тем, моделирование сложных физических процессов невозможно без новых методов, современной вычислительной техники и программного обеспечения для расчетов, обработки, анализа и визуализации больших массивов данных.
На протяжении более 30 лет они динамично развивались и, на сегодняшний день, представляют собой три взаимодополняющих методологии, которые реализованы в широко апробированных программных системах: системе объемного моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ) системе моделирования «GEO-RS» для расчетов геомеханических и газодинамических процессов в структурно-неоднородной массиве пород и параметров технологий добычи полезных ископаемых на основе метода конечных элементов и метода начальных напряжений; системе моделирования плоско параллельно объемных структур массива на основе модифицированного метода Фусса-Винклера.
Необходимость развития собственного программного обеспечения объясняется тем, что коммерческие программные комплексы предлагаются только с компилированными (зашифрованными) кодами, их невозможно расширить под новые условия без исходного кода. Кодирования программ делает невозможным оценку адекватности математических моделей, которые заложены в расчетный модуль. Кроме того, программы, предлагаемые для геомеханических расчетов, создавались для других целей, например, для проектирования деталей, сборок и оболочек в машиностроении - это программы SolidWorks, Сosmos, NX Nastran, расчета почв - pfase2, фундаментов зданий и строительных конструкций - «Лира », и этот список можно продолжать. То есть коммерческие программы узкоспециализированные для оценки состояния материала деталей машин, механизмов, корпусов самолетов, элементов ракетной техники и др., поэтому они, в основном, предназначены для расчетов исключительно упругих сред, что не соответствует модели деформирования горных пород. Это является большой проблемой при расчетах геомеханических процессов в осадочных горных породах, так как для фактических условий разработки угольных шахт упругие модели дают крайне приближенную картину распределения напряжений и только на момент времени, когда происходит упругая деформация. Даже если правильно решается тестовая задача, сложно адекватно задать граничные условия без точного понимания их основания. Поэтому расчеты часто приводят к некорректным результатам, которые не подтверждаются реальными измерениями в горных выработках.
Таким образом, наши специалисты, располагая и обладая возможностями коммерческих программ SolidWorks, Сosmos, NX Nastran, pfase2, «Лира» и др. разработали свою устойчивую и апробированную расчетную базу.
Прогнозирование геомеханических условий отработки угольных пластов служит фундаментом для разработки эффективных и безопасных технологий горных работ.
Без знания механики горных пород, специфики их разрушения и закономерностей протекания геомеханических процессов при ведении горных работ, невозможно осуществлять прогноз его состояния и планировать научно и практически обоснованную стратегию развития горных работ на стадии их проектирования. Решение всего комплекса горномеханических задач и разработка на их основе практических рекомендаций для конкретного добычного участка может быть обеспечено только при системном подходе к решаемой проблеме.
Для возможности планирования горных работ на этапе их проектирования Институтом геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, совместно с Научно-инженерным центром «Экология-Геос» предложена методология решения практических горнотехнических задач, реализованная в виде программно-технологического комплекса «Технология стратегического планирования развития горных работ». «Технология…» основана на учете закономерностей механизма сдвижения слоистого, разномодульного горного массива, склонного к расслоениям при ведении горных работ. Этот механизм заключается в последовательном от угольного пласта до дневной поверхности изгибе слоев пород, представленных в виде тонких плит, не жестко защемленных по контуру выработки, с подвижками слоев относительно друг друга по контактам напластований.
Программное обеспечение данной «Технологии…» является достаточно сложным продуктом. В связи с необходимостью учета большого количества показателей и факторов, оно включает в себя шесть самостоятельных модулей, в которых последовательно рассчитываются определенные группы горно-геологических и горнотехнических показателей по отдельным подпрограммам расчета, для каждого слоя породы от угольного пласта до дневной поверхности, которые на заключительном этапе «Технологии…» интегрируются в единую систему. Программные модули увязаны в кластеры, что в тысячи раз превышает скорость самых мощных ПЭВМ.
В начале моделирования производится анализ и обработка исходных данных: подготовка горно-геологических данных по анализу стратиграфических колонок, а также результатов горно-геологического прогноза, затем данных горнотехнического характера на основе базового варианта технологии и особенностей ведения горных работ. После производится собственно моделирование по следующему укрупненному алгоритму:
При этом решение горнотехнических задач производится максимально приближенно к условиям конкретного добычного участка, выработки или даже ее отдельного участка. Это достигается путем использования реальных физико-механических характеристик вмещающих пород и горнотехнических условий ведения горных работ.
Неоспоримым преимуществом Технологии, по сравнению с существующими методиками и программно-вычислительными комплексами, является совместный учет влияния очистных выработок на подготовительные, учет влияния параметров ведения горных работ на смежных пластах (подработка/надработка), что позволяет еще на стадии проектирования определять рациональные технологические параметры горных работ для условий конкретного добычного участка.
Кроме этого, прогноз особенностей поведения массива при ведении горных работ позволяет определять параметры его деформирования: опускания кровли, поднятия почвы, сближение стенок выработок, горизонтальные подвижки слоев пород относительно друг друга по напластованию, образование полостей расслоения и их размеры. Это в комплексе со знанием силовых характеристик: нормальных нагрузок и напряжений, позволяет решать горнотехнические задачи любого уровня сложности.
Другой методический подход, который широко и успешно используется нашим институтом для решения задач геомеханики углепородного массива основан на методах конечных элементов и начальных напряжений. Программный комплекс позволяет выполнять расчеты объемной упругопластической среды, состоящей из более двух миллионов элементов. Благодаря применению динамических массивов данных возможности комплекса зависят только от применяемого компьютера. Следует отметить, что вычислительный ГРИД-кластер института имеет 25 четырехядерных процессоров, что позволяет решать сложнейшие геомеханические задачи.
В результате многочисленных шахтных и аналитических исследований в институте разработана, предложена и получила широкое внедрение новая концепция технологии опорно-анкерного крепления горных выработок для управления их устойчивостью при помощи породно-анкерных опор, которые сохраняют массив в состоянии трехосного сжатия, формируя в приконтурном пространстве конструкцию из породно-анкерных элементов с высоким запасом прочности: силовой и подпорной частей перекрытия, опоры перекрытия, основания конструкции и защитных перемычек. Разработана и обоснована классификация конструкций анкерной крепи на простую, усиленную и мощную. Технология усиленного и мощного опорно-анкерного крепления подготовительных и капитальных горных выработок с использованием защитных перемычек реализована на практике, и показала отличные результаты устойчивости выработок.
На основе разработанной модели взаимодействия породных блоков при образовании в приконтурном горном массиве с анкерной крепью продольных и поперечных трещин предложен новый метод расчета смещений кровли выработки.
Установлены пространственно-временные закономерности влияния параметров конструкции анкерного крепления на состояние приконтурных пород; определено напряженно-деформированное состояние породного массива на сопряжении «лава-штрек», закрепленном мощной анкерной крепью; разработан новый метод расчета параметров НДС массива и конструкции анкерной крепи при проведении технологических циклов установки рядов анкерной крепи, которій учитывает разгрузку массива за время цикла и вступление в работу ряда анкерной крепи в определенный момент времени.
Кратко продемонстрируем методы, возможности и особенности использования вычислительного комплекса «GEO-RS», который на сегодняшний день также успешно применяется для решения сложных геомеханических и горнотехнических задач.
Особенностями комплекса является обеспечение расчетов упругого и различных видов закритических напряженно-деформированных состояний породного массива, определение систем магистральных трещин, геометрических и энергетических параметров зон неупругих деформаций.
С помощью системы “GEO-RS” выполняется решение не только сложных геомеханических задач, но и может быть выполнен оперативный прогноз в режиме реального времени. Эти функции обеспечиваются высокой производительностью программ. То есть сегодня имеется возможность использования современных научных разработок, в том числе, при оперативной оценке горнотехнических ситуаций.
Сравнение моделирования с известными решениями, признаными широким кругом специалистов-геомехаников, проводилось в порядке от простого к сложному. Результаты верификации с аналитическим решением Галина для упругопластической среды Рейса-Прандтля:
Мы видим образование ядра сжатия, областей сдвигов по радиальным поверхностям скольжения и областей пассивного отпора. Показано, что тип зон, их расположение и конфигурация, линии скольжения и граничные линии между участками различных по типу деформаций соответствуют теоретическим и практическим представлениям НДС пород.
Сравнение с лабораторными экспериментами показало, что коэффициент корреляции составляет более 0,9. То есть, верификация в целом, дает хорошую сопоставимость расчетов с аналитическими и лабораторными данными.
Особое внимание уделялось адекватности расчетов и шахтных экспериментов. Сопоставимость оценивалась по результатам серий инструментальных и геофизических измерений в шахтных условиях: по значениям смещений, конвергенции выработок, расслоениям пород, границам зон повышенной трещиноватости и другим параметрам. Анализ погрешностей конечных решений также показал хорошие результаты.
Геомеханическая расчетная схема массива соответствует реальным условиями разработки и содержит весь комплекс исходных данных о напряженном состоянии, свойствах и структурных особенностях массива, которые дополняются данными о параметрах горных выработок и других элементах систем разработки.
Для каждой стадии деформационного процесса определяются важные для практики информативные параметры. Состояние среды анализируется по ряду физических и энергетических критериев с определением ряда инвариантов составляющих тензора напряжений, что на сегодняшний день является новым и перспективным.
В результате мы получаем наиболее достоверные параметры НДС массива пород, которые используются в практических целях для оценки и прогнозирования состояния породного массива и выработок.
Наиболее сложными являются расчеты систем комбинированного поддержания горных выработок, которые включают: средства анкерного и рамно-анкерного крепления, литые полосы из быстротвердеющих материалов, крепи усиления, охранные бутовые полосы и др. На слайде мы видим, изменения зон концентрации напряжений в кровле выработки при применении жестких и более податливых охранных конструкций, опорные нагрузки в боках выработки, зоны разгрузки в почве. Экономический эффект от внедрения прогноза состояния выработок при различных способах их поддержания только по 2-ой и 3-ей западным лавам пл. l4 составил более 2 млн. грн.
Примеры прогноза изменения НДС пород при проведении технологических процессов по демонтажу секций механизированной крепи, анкерованию кровли и возведению литой полосы в выработках 16 западной лавы пл. m3.
Показан анализ состояния массива по максимальным главным напряжениям, а также детализация работы анкеров для определения условий формирования локальных зон сжатия в массиве, силовых и деформационных характеристик анкерных штанг.
Прогноз развития нарушенности породного массива позволил обосновать параметры средств и способов поддержания выработок для различных этапов деформационного процесса.
Вычислительный комплекс имеет возможность определять набор параметров выработок и тектонических нарушений произвольной конфигурации, что позволяет эффективно и безопасно проводить горные работы в аномальных зонах.
Преимущества системы в полной мере проявились при анализе НДС газонасыщенных сред. Реализация данной технологии включает автоматический расчет внутрипластовых газовых давлений в зависимости от степени разрушения пород. Расчеты более полно учитывают физическую сущность разрушения газонасыщенного массива и обеспечивают повышенную достоверность прогноза.
Оценка параметров систем дополнительных трещин выполняется на основе закономерностей активизации процесса их распространения под действием изменяющихся во времени и пространстве нагрузок. При этом параметры зон неупругих деформаций используются для оценки снижения или увеличения проницаемости массива.
В результате практического применения метода был решен ряд актуальных научных и прикладных задач. Например, показаны спрогнозированные направления движения метана от пластов-спутников в выработанное пространство и в рабочую зону лавы.
Геомеханические расчеты позволили установить причины формирования нестабильности газового режима добычного участка шахты, которые обусловлены фактором зональной дезинтеграции газонасыщенных пород при ведении очистных работ.
Прогноз распространения зон неупругих деформаций и зон десорбции метана во времени, позволяет определить расположение эффективных для дегазации участков массива и установить оптимальные параметры заложения дегазационных скважин.
Результаты комплекса аналитических и шахтных исследований использованы при создании Минуглепромом Украины концепции комплексной дегазации углепородного массива, которая регламентирует условия и параметры применения новых схем дегазации в угледобывающей отрасли.
Возможности программного обеспечения также были использованы при различных углах залегания угольных пластов. Результаты дали возможность установить рациональные параметры всего комплекса охранных сооружений и способа управления кровлей в очистном забое.
Показанный далее прогноз для зон с повышенной тектонической активностью позволил выявить основные причины потери устойчивости выработок в аномальных зонах и принять своевременные мероприятия по их поддержанию.
На основе математического моделирования спрогнозирован характер деформаций влагонасыщенных пород для условий шахт Западного Донбасса, что позволяет заблаговременно определять зональность негативных проявлений горного давления, способы и средства крепления выработок.
