Спосіб дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки

Реферат: Спосіб дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки, який включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, шаруватого породного масиву з гірничою виробкою, однорідного у межах кожного породного шару, задання в скінченних елементах фізико-механічних властивостей, що визначаються шляхом випробувань зразків порід за допомогою преса, жорстке закріплення моделі на контурі. В обводненому шарі задають тиск води, у кожному вузлі скінченно-елементної моделі - початкові напруження, відповідні глибині проведення виробки, задають тиск води на контурі виробки, який дорівнює атмосферному, задають проникність обводненого шару, визначену експериментально, а також початкову фільтраційну проникність водотривких шарів, що дорівнює нулю. Проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів деформування порід та фільтрації води у нестаціонарній постановці, на кожній часовій ітерації розраховують величину напружень і деформацій у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву, розраховують значення фільтраційної проникності в залежності від співвідношення компонент тензора головних напружень, визначають область фільтрації. Розраховують значення тиску води у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву в залежності від проникності. На наступній часовій ітерації перераховують значення фізико-механічних властивостей кожного скінченного елемента моделі, який потрапив до області фільтрації, за емпіричними співвідношеннями, що встановлюються шляхом випробувань зволожених зразків порід за допомогою преса. UA 114572 U (54) СПОСІБ ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ОБВОДНЕНОГО ГІРСЬКОГО МАСИВУ НАВКОЛО ГІРНИЧОЇ ВИРОБКИ UA 114572 U UA 114572 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до механіки гірських порід, а саме моделювання процесу фільтрації рідини з обводнених породних шарів до гірничої виробки і напружено-деформованого стану шаруватого масиву, який формується під дією ваги розташованих вище гірських порід з урахуванням зміни фізико-механічних властивостей порід при розмоканні. Відомий спосіб геомеханічного аналізу масиву гірських порід методом скінченних елементів. Він дозволяє з високою точністю визначати розподіл напружень, напрямок і величину деформацій в окремих точках (вузлах) моделі та особливості руйнування при дії граничних навантажень [1]. Але досить часто гірський масив містить обводнений шар, обмежений водотривкими породами. При проведенні гірничої виробки навколо неї змінюється поле напружень і розповсюджується зона підвищеної тріщинуватості. Водотривкі породи, що потрапили в таку зону, набувають фільтраційної проникності, починається процес фільтрації води з обводненого шару у простір виробки. Підвищена вологість впливає на зміну фізико-механічних властивостей порід, зокрема їх міцність, сприяє руйнуванню порід в околі виробки. В залежності від гірничогеологічних та технологічних факторів змінюється рівень водоприпливу [2, 3]. Для вивчення впливу процесу фільтрації води на стійкість гірничої виробки, обґрунтування параметрів кріплення в умовах обводнених приконтурних порід, способів зниження водоприпливу та ін., необхідне дослідження напружено-деформованого стану гірського масиву навколо гірничої виробки, яку проводять у гірському масиві при наявності обводнених породних шарів. Найбільш близьким аналогом по суті до способу, що запропоновано, є спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням [4], що включає створення комп'ютерної моделі шаруватого породного масиву з виробкою необхідної форми перерізу за допомогою скінченних елементів з відповідними фізико-механічними властивостями, проведення чисельного розрахунку моделі, що дозволяє визначити величину напружень і деформацій у кожному вузлі моделі гірського масиву. Але необхідно відзначити, що зазначеним аналогом не враховується обводненість деяких з породних шарів і її вплив на зміну полів напружень навколо виробки [5]. Найбільший вплив насичення водою чинить на породи, що містять глинисті мінерали. Випробування гірських порід довели, що від вологості цих порід залежать їх міцнісні та деформаційні властивості, які погіршуються в десятки разів при зміні вологості з 0,3 до 10,1 %. Насичення водою порід, що не розмокають, сприяє розширенню мікротріщин, зменшенню залишкової несучої здатності породи до двох разів [5]. Крім того, у процесі зростання тріщинуватості та руйнування приконтурних порід зростає їх фільтраційна проникність, через це і процес фільтрації стає більш інтенсивним. З цього випливає, що процеси деформування порід та фільтрації води зв'язані, і доцільно досліджувати їх обидва одночасно, з урахуванням їх взаємного впливу. Тому даний спосіб не дієвий для дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки. В основу корисної моделі поставлено задачу, що полягає в удосконаленні способу дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки за рахунок: - одночасного дослідження двох зв'язаних процесів - деформування порід та фільтрації води; - урахування впливу напружено-деформованого стану породного масиву на його фільтраційну проникність [6]; - урахування зміни фізико-механічних властивостей порід при розмоканні, внаслідок чого розраховується розподіл значень полів напружень і деформацій та параметри фільтрації води у досліджуваній області, що надає можливість скорегувати параметри кріплення, засобів зниження водоприпливу і підвищити стійкість виробки. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки, який включає створення скінченноелементної моделі пружно-пластичного, шаруватого породного масиву з гірничою виробкою, однорідного у межах кожного породного шару, задания в скінченних елементах фізикомеханічних властивостей, що визначаються шляхом випробувань зразків порід за допомогою преса, жорстке закріплення моделі на контурі, згідно з корисною моделлю, в обводненому шарі задають тиск води, у кожному вузлі скінченно-елементної моделі - початкові напруження, відповідні глибині проведення виробки, задають тиск води на контурі виробки, який дорівнює атмосферному, задають проникність обводненого шару, визначену експериментально, а також початкову фільтраційну проникність водотривких шарів, що дорівнює нулю, проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів деформування порід та фільтрації води у нестаціонарній постановці, на кожній часовій ітерації розраховують величину напружень і деформацій у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву, розраховують значення 1 UA 114572 U 5 10 15 20 фільтраційної проникності в залежності від співвідношення компонент тензора головних напружень, визначають область фільтрації, де проникність більша за нуль, розраховують значення тиску води у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву в залежності від проникності, підраховують суму витрат води у кожному вузлі на контурі виробки, що дорівнює питомому водоприпливу у виробку в даний момент часу, та на наступній часовій ітерації перераховують значення фізико-механічних властивостей кожного скінченного елемента моделі, який потрапив до області фільтрації, за емпіричними співвідношеннями, що встановлюються шляхом випробувань зволожених зразків порід за допомогою преса. Урахування впливу напружено-деформованого стану породного масиву на його фільтраційну проникність та зміни фізико-механічних властивостей порід при розмоканні дозволяє адекватно моделювати одночасний перебіг процесів геомеханіки і фільтрації. Запропонований спосіб надає можливість відтворювати напружений стан гірських порід при проведенні гірничої виробки в гірських породах з обводненими шарами, геометричні параметри зон непружних деформацій, що характеризують знеміцнену, зруйновану область навколо виробки та досліджувати водоприплив до виробки в залежності від часових, геологічних та технологічних параметрів. Аналіз розподілу напружень та величини водоприпливу надає змогу визначити або скорегувати параметри технологій кріплення та гідроізоляції гірничих виробок, що в цілому підвищує стійкість виробки, кріплення і безпеку праці шахтарів. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено приклад скінченноелементної моделі 1 поперечного перерізу гірничої виробки 2, в покрівлі якої розташовано два шари обводнених гірських порід 3; на фіг. 2 - результат розрахунку напружень (а саме параметра Q  1   3 / H , де  1 - максимальна компонента тензора головних напружень,    3 - мінімальна компонента тензора головних напружень,  - усереднена вага гірських порід, які розташовані вище, H - глибина розташування виробки) і зони непружних деформацій для 25 30 скінченно-елементної схеми фіг. 1; на фіг. 3 - результат розрахунку фільтраційної проникності к порід навколо виробки 2 для скінченно-елементної моделі 1; на фіг. 4 - результат розрахунку полів тиску води; на фіг. 5 - напрямки руху фільтраційних потоків; на фіг. 6 - результат розрахунку значень параметра Q для скінченно-елементної моделі 1 при застосуванні анкерного кріплення 4; на фіг. 7 - результат розрахунку фільтраційної проникності порід при застосуванні анкерного кріплення 4; на фіг. 8 - результат розрахунку полів тиску води при застосуванні анкерного кріплення 4; на фіг. 9 - напрямки руху фільтраційних потоків навколо виробки 2 при застосуванні анкерного кріплення 4. На кресленні наведено наступні позначення: зона, позначена червоним кольором - зона непружних деформацій; значення параметра 35 40 45 50 55 Q: 0,8  Q  12 ; , 16  Q , , 12  Q  16 ; , , - 0,4  Q  0,8 ; - Q  0,4 ; значення коефіцієнтів фільтраційної проникності, мДа, - k  10 ; - k  0,5 ; - k  0,1 ; - k  0,01. , Спосіб здійснюють наступним чином. За допомогою стандартного преса шляхом випробувань зразків порід з різним ступенем зволоженості визначають фізико-механічні властивості кожного породного шару, що складає досліджувану область гірського масиву. Вимірюють тиск води в обводненому шарі. Визначають проникність обводненого шару. Далі за допомогою програмних комплексів розробки скінченно-елементних сіток, наприклад Femap або Ansis, створюють комп'ютерну модель гірського масиву 1 з порожниною 2, що моделює простір виробки. Приклад такої сітки з двома обводненими шарами 3 показано на фіг. 1. Виконується оптимізація сітки скінченних елементів для розрахункової моделі шаруватого породного масиву 1 з гірничою виробкою 2 і обводненими шарами 3. Отриману скінченно-елементну модель експортують в програмне середовище, що реалізує метод скінченних елементів. Кожному скінченному елементу, що моделює певну гірську породу, надаються відповідні властивості, які визначено за допомогою випробувань на пресі. У вузлах скінченно-елементної сітки, які належать обводненому породному шару, задають тиск води та початкову фільтраційну проникність. В решті вузлів теж задають початкову проникність, що дорівнює нулю. У вузлах на контурі виробки задають тиск води, який дорівнює атмосферному (0,1 МПа). Завдають умови закріплення моделі, які блокують вертикальні переміщення вузлів сітки на горизонтальних границях моделі та горизонтальні переміщення вузлів на вертикальних 2 UA 114572 U границях. Навантаження здійснюють шляхом завдання начальних напружень, що дорівнюють величіні гірського тиску H . Проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів зміни НДС та напірної фільтрації води у нестаціонарній постановці: 5 u   ij, j  Xi t   Pi t  , t p   p    p    qt  ,  k x   k y t x  x  y  y    3 де c g - коефіцієнт демпфування, кг/с/м ; u i - переміщення, м;  ij, j - похідні від компонент cg тензора напружень по х, у, МПа/м; Xi t  - проекції зовнішніх сил, що діють на одиницю об'єму Pi t  - проекції сил, зумовлених тиском флюїдів в тріщинопоровому просторі, Н/м ; p - тиск флюїдів, МПа; qt  - функція припливу або стоку. 3 твердого тіла, Н/м ; 10 3 Напірна фільтрація характеризується наявністю в потоку тиску, вона виникає в пластах водоносних гірських порід, які обмежено водотривкими породами. В цьому випадку рідина рухається під дією градієнта тиску. На кожній часовій ітерації визначають розподіл напружень  ij і деформацій  ij у 15 досліджуваній області шаруватого гірського масиву навколо гірничої виробки, а також зони непружних деформацій, що свідчать про початок процесу тріщиноутворення та руйнування масиву гірських порід. Потім визначають значення проникності k гірського масиву навколо виробки за співвідношеннями [6]: k  0 при Q  1   3  / H  0,6;  k  0 при Q  0,7; P   3 / H  0,25;  k  k min при 0,7  Q  0,8;  0,26 Q  4,65 при Q  0,8; P  0,1 ; k  e k  k max при Q  0,8; P  0,1.  20 Визначають область фільтрації за критерієм: k  0 . Далі визначають величину тиску води в області фільтрації та на наступній часовій ітерації ураховують її як складову частину сумарної сили Fg , прикладеної у вузлах скінченно   елементної моделі: F   F   F , g 25 30 35 40   0 p   де F0 - сили, обумовлені дією геостатичного тиску; Fp - сили, обумовлені тиском води. На наступній часовій ітерації перераховують значення фізико-механічних властивостей кожного скінченного елемента моделі, який потрапив до області фільтрації, за емпіричними співвідношеннями, що встановлюються шляхом випробувань зволожених зразків порід за допомогою преса. В результаті розв'язання задачі отримують розподіл геомеханічних і фільтраційних параметрів в різні моменти часу. На фіг. 2 показано розподіл значень параметра Q , який характеризує ступінь різнокомпонентності поля напружень та можливість виникнення руйнування для скінченноелементної схеми на фіг. 1. Видно, що навколо виробки сформована область підвищеної різнокомпонентності поля напружень. Контур виробки оточує зона непружних деформацій, що призводить до збільшення тріщинуватості приконтурних порід, їх розшаруванню та руйнуванню. На фіг. 3 представлено результат розрахунку фільтраційної проникності k порід. Навколо виробки утворюється проникна для води область - область фільтрації. Вона охоплює водоносні шари, вода з яких переміщатиметься до виробки. Обводнений породний шар більшої потужності розташований на самому краю області фільтрації в зоні початку тріщиноутворення, де проникність дуже мала, і лише невелика кількість води з цього водоносного шару потрапить до виробки. На фіг. 4 наведено результат розрахунку полів тиску води. Напрямки руху фільтраційних потоків показано на фіг. 5. 3 UA 114572 U 5 10 15 20 25 30 35 Технологічні чинники, наприклад застосування анкерного кріплення, значно впливають на розподіли геомеханічних і фільтраційних параметрів, що показано результатами розрахунків за запропонованим способом дослідження на фіг. 6-9. В боках і покрівлі виробки з анкерним кріпленням (фіг. 6) зона непружних деформацій значно зменшується порівняно з незакріпленою виробкою (фіг. 2), в покрівлі зникає область підвищеної різнокомпонентності - утворюється перекриття з непорушених, непроникних порід. Розподіл значень коефіцієнтів проникності (фіг. 7) також істотно змінюється порівняно з даними на фіг. 3. У виробці з анкерним кріпленням між покрівлею виробки і першим водоносним шаром знаходиться непорушений водонепроникний шар гірських порід, який буде перешкоджати фільтрації води до виробки. Внаслідок того, що породи покрівлі виробки завдяки анкерному кріпленню набули водонепроникності, водоприплив до виробки відсутній, фіг. 8, рух фільтраційних потоків не відбувається, фіг. 9. Таким чином створюється чисельна модель для дослідження стану шаруватого породного масиву з гірничою виробкою при наявності в її околі обводнених шарів. Перевагами запропонованого способу є урахування впливу напружено-деформованого стану породного масиву на його фільтраційну проникність, урахування зміни фізико-механічних властивостей порід при розмоканні, одночасне дослідження двох зв'язаних процесів - деформування порід та фільтрації води. Усе це надає можливість визначити або скорегувати параметри технологій кріплення та гідроізоляції гірничих виробок, підвищити їх стійкість та безпеку праці шахтарів. Джерела інформації: 1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - Μ.: Недра, 1987. - 224 с. 2. Виноградов Ю.А. Исследование водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва. Науково-виробничий збірник: Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КрНУ, 2015. - Вип. 1(15). - С 89-95. 3. Круковская В.В., Круковский А.П., Виноградов Ю.А. Исследование водопритока в горные выработки с анкерной крепью // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2015. - № 120. - С. 182-193. 4. Спосіб дослідження стану гірського масиву навколо гірничої виробки з анкерним кріпленням. Патент України по заявці u201412300 МПК Е21D 11/00; заявник і власник патенту ІГТМ НАН України. - № 100666; 10.08.2015. - Бюл. №15. 5. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. - К.: Наукова думка, 1989. - 192 с. 6. Круковская В.В. Разработка метода расчета параметров процесса фильтрации метана с учетом напряженно-деформированного состояния подрабатываемого углепородного массива: дис. … канд. техн. наук. - Днепропетровск, 2006. - 134 с. 7. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. - М.: "Наука", 1977. - 664 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 60 Спосіб дослідження стану обводненого гірського масиву навколо гірничої виробки, який включає створення скінченно-елементної моделі пружно-пластичного, шаруватого породного масиву з гірничою виробкою, однорідного у межах кожного породного шару, задання в скінченних елементах фізико-механічних властивостей, що визначаються шляхом випробувань зразків порід за допомогою пресу, жорстке закріплення моделі на контурі, який відрізняється тим, що в обводненому шарі задають тиск води, у кожному вузлі скінченно-елементної моделі - початкові напруження, відповідні глибині проведення виробки, задають тиск води на контурі виробки, який дорівнює атмосферному, задають проникність обводненого шару, визначену експериментально, а також початкову фільтраційну проникність водотривких шарів, що дорівнює нулю, проводять чисельний розрахунок моделі зв'язаних процесів деформування порід та фільтрації води у нестаціонарній постановці, на кожній часовій ітерації розраховують величину напружень і деформацій у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву, розраховують значення фільтраційної проникності в залежності від співвідношення компонент тензора головних напружень, визначають область фільтрації, де проникність більша за нуль, розраховують значення тиску води у кожному скінченному елементі моделі гірського масиву в залежності від проникності, підраховують суму витрат води у кожному вузлі на контурі виробки, що дорівнює питомому водоприпливу у виробку в даний момент часу, та на наступній часовій ітерації перераховують значення фізико-механічних властивостей кожного скінченного елемента моделі, який потрапив до області фільтрації, за емпіричними співвідношеннями, що встановлюються шляхом випробувань зволожених зразків порід за допомогою преса. 4 UA 114572 U 5 UA 114572 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6