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.) - Вычислительный комплекс «GEO-RS» для расчета неупругих состояний массива пород на основе МКЭ-МНН (отв. к.т.н. с.н.с. Слащев И.Н.)

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.

• Вперёд