Розроблення нових інформаційних технологій оцінки напружено-деформованого стану гірських порід (кер.: чл.-кор. НАНУ д.т.н. Круковський О.П.; д.т.н. Слащов І.М.)
В ІГТМ НАН України розроблено три програмних комплекса для розрахунків геомеханічного стану породного масиву. Програмні системи реалізують три взаємодоповнюючих методології прогноза напружено-деформованого стану масиву гірських порід.
Прогнозування геомеханічних умов відпрацювання вугільних пластів служить фундаментом для розробки ефективних і безпечних технологій гірничих робіт. Тому вирішення проблеми геомеханической безпеки може бути виконано на науково-технічній базі прогнозування геомеханічних і газодинамічних процесів сучасними інформаційними технологіями. Разом з тим, моделювання складних фізичних процесів неможливо без нових методів, сучасної обчислювальної техніки і програмного забезпечення для розрахунків, обробки, аналізу і візуалізації великих масивів даних.
Протягом більше 30 років вони динамічно розвивалися і, на сьогоднішній день, являють собою три взаємодоповнюючих методології, які реалізовані в широко апробованих програмних системах: системі об'ємного моделювання на основі методу скінченних елементів (МСЕ); системі моделювання «GEO-RS» для розрахунків геомеханічних і газодинамічних процесів в структурно-неоднорідному масиві порід та параметрів технологій видобутку корисних копалин на основі методу скінченних елементів і методу початкових напружень; системі моделювання плоско параллельніх об'ємних структур масиву на основі модифікованого методу Фусса-Вінклера.
Необхідність розвитку власного програмного забезпечення пояснюється тим, що комерційні програмні комплекси пропонуються тільки з компілюваними (зашифрованими) кодами, їх неможливо розширити під нові умови без вихідного програмного коду. Кодування програми унеможливлює оцінку адекватності математичних моделей, які закладені в розрахунковий модуль. Крім того, програми, що запропоновані для геомеханічних розрахунків, створювалися для інших цілей, наприклад, для проектування деталей, зборок і оболонок в машинобудуванні - це програми SolidWorks, Сosmos, NX Nastran, розрахунку грунтів - pfase2, фундаментів будівель і будівельних конструкцій - «Ліра» , і цей список можна продовжувати. Тобто комерційні програми вузькоспеціалізовані для оцінки стану матеріалу деталей машин, механізмів, корпусів літаків, елементів ракетної техніки і ін., Тому воні в основному призначені для розрахунків виключно пружних середовищ, що не відповідає моделі деформування гірських порід. Це є великою проблемою при розрахунках геомеханічних процесів в осадових гірських породах, так як для фактичних умов розробки вугільних шахт пружні моделі дають вкрай наближену картину розподілу напружень і тільки на момент часу, коли відбувається пружна деформація. Навіть якщо правильно вирішується тестова задача, складно адекватно задати граничні умови без точного розуміння їх основи. Тому розрахунки часто приводять до некоректних результатів, які не підтверджуються реальними вимірами в гірничих виробках.
Таким чином, наші фахівці, маючи в своєму розпорядженні і володіючи можливостями комерційних програм SolidWorks, Сosmos, NX Nastran, pfase2, «Ліра» та ін. розробили свою стійку і апробовану розрахункову базу.
Прогнозування геомеханічних умов відпрацювання вугільних пластів служить фундаментом для розробки ефективних і безпечних технологій гірничих робіт.
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.
