Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Пасечник, Иван Александрович

• Пасечник, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пасечник, Иван Александрович

Оглавление

Введение

1. Анализ средств и методов прогнозирования геомеханических процессов на угольных шахтах

1.1 Геомеханические процессы на шахтах и рудниках

1.2 Существующие методы описания геомеханических процессов

1.3 Анализ инструментальных средств моделирования

1.4 Цели и задачи исследования

2. Исследование методов геоинформационного моделирования сплошных сред

2.1 Методы геомеханического моделирования

2.2 Анализ средств моделирования геомеханических процессов

2.3 Разработка классификатора объектов сплошной среды

2.4 Построение модели процесса деформации массива горных пород при ведении добычных работ

3. Разработка алгоритма и метода моделирования антропогенных изменений горного массива

3.1 Моделирование активной стадии процесса сдвижения и сдвижения с запаздыванием

3.2 Моделирование шага обрушения ложной и основной кровли в очистном забое

3.3 Моделирование опускания со сдвигом пород кровли

4. Реализация метода моделирования, выработка методики моделирования

4.1 Пионерный расчет деформирования напластований горных пород

4.2 Временная методика моделирования

Заключение

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ с использованием ГИС-технологий»

Введение

Актуальность. В настоящее время жизнедеятельность шахт и рудоуправлений все сложнее и сложнее представить без использования геоинформационных систем (ГИС). Причин тому множество и главная из них состоит в том, что рыночная стоимость шахты в первую очередь определяется запасами угля, а их подсчет с использованием геологической модели является одной из основных функций современных ГИС. Однако, благодаря совокупности современных компьютерных технологий, опыту горных инженеров и результатам исследовательских работ по изучению горных пород область применения ГИС может быть намного шире: можно решать такие задачи, как максимизация экономических показателей производства (более точное календарное и оперативное планирование объемов работ, раскройка шахтного поля), повышение безопасности труда шахтеров, предупреждение чрезвычайных экологических ситуаций [18] и другое. Для этого необходимо перейти от статических геологических моделей месторождений полезных ископаемых (МПИ) к динамическим моделям, отражающим динамические изменения, протекающие в горном массиве в процессе ведения добычных работ и после их окончания.

Для осуществления данного перехода необходим метод моделирования деформации лежащей над очистными выработками свиты пластов, причем данная модель должна динамично учитывать те изменения, которые происходят с горным массивом по мере продвижения очистного комплекса в лаве. Это позволит прогнозировать развитие антропогенных процессов при выемке угля, изменяющуюся конфигурацию и параметры куполов обрушенных вышележащих пород за движущимся очистным комплексом и заблаговременно принимать меры по обеспечению безопасности ведения горных работ, дегазации выработанных пространств и решению экологических проблем, связанных с грунтовыми водами, образованием мульды проседания пород и раскрытию трещин до дневной поверхности.

Подавляющее большинство существующих методов моделирования сплошной среды ориентировано на работу с её образцами сравнительно малых размеров. Изучение искусственных воздействий на искусственно же созданные образцы не позволяет широко применять данные методы на практике, так как их результаты не учитывают всего многообразия факторов и критериев, определяющих особенности разрушения и деформации горных пород в реальных горно-геологических системах. В связи с этим актуально использование ГИС-систем, изначально ориентированных на отображение всего МПИ и позволяющих решить проблему «малых образцов».

Произошедшие за последние десятилетия аварии на угольных шахтах (Распадская, Юбилейная, им. Засядько, Ульяновская, Абайская и др.), вполне вероятно, можно было бы предотвратить, если бы досконально отслеживались при ведении добычных работ процессы антропогенных изменений массивов горных пород. Косвенные данные указывают на слишком быстрое разгружение массива, что могло вызвать обрушение вышележащих горизонтов, а взрывы метана происходили вследствие его перехода в газообразное состояние и концентрации в зонах с высоким коэффициентом трещиноватости (дегазация пластов была малоэффективной из-за неточных данных о куполах обрушения и деформациях вышележащих пластов).

С учетом изложенного, задача разработки метода моделирования на основе ГИС-технологий, позволяющего, с достаточной степенью достоверности динамично прогнозировать развитие процессов антропогенных изменений массива, таких как обрушение непосредственной и основной кровли горных выработок, деформацию вышележащей свиты пластов, сближение добычных горизонтов, раскрытие трещин, проседание поверхности с образованием мульды на дневной поверхности, является актуальной и имеет большое научное и практическое значение для функционирования горных предприятий.

Цель работы заключается в информационном обеспечении эффективных и безопасных условий функционирования горных систем в части управления изменениями массивов горных пород и прогнозирования образованием полостей и трещин в зоне очистных работ за счет адекватного динамического компьютерного моделирования протекающих процессов с использованием ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование и анализ параметров горного массива и процессов внутри него, а также средств и методов имитационного моделирования;

2. Выявление принципиально важных параметров моделирования антропогенных изменений массива в зоне влияния очистной выработки; исследование структуры взаимосвязей между объектами массива;

3. Разработка классификатора объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними;

4. Разработка вероятностной имитационной модели антропогенных изменений состояния и деформирования системы элементов горного массива;

5. Формирование алгоритма моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающего динамику протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ;

6. Разработка метода моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий;

Идея и новизна работы состоит в представлении сплошной среды в

зоне ведения очистных работ на базе объектно-ориентированной

методологии в виде слоисто-блочной системы напластований горных пород,

что впервые позволяет создавать дискретные динамические модели

изменения физико-механического состояния отдельных модулей такой среды

б

с целью предоставления лицам, принимающим управленческие решения на горном предприятии, адекватной информации об изменениях состояния анизотропной сплошной среды в зоне очистных работ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан классификатор объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними, позволяющий использовать классические методы вероятностного имитационного математического моделирования процессов деформации системы элементов горного массива при ведении очистных работ в условиях неопределенности состояния последней;

2. Разработана вероятностная имитационная модель антропогенного изменения состояний и деформирования системы элементов горного массива, позволяющая прогнозировать развитие зоны обрушений и процессы деформирования горных пород вплоть до изменения дневной поверхности;

3. Сформирован алгоритм моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающий порядок протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ, и выбраны определяющие факторы для системы вероятностного динамического моделирования;

4. Разработан метод моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий, позволяющий описывать вероятностные динамические процессы деформации дискретных элементов пластов горных пород и рассчитать параметры растрескивания и пластического деформирования этих элементов, а также пространственно-временных изменений зон обрушения при ведении очистных работ.

Научное значение разработки заключается в обосновании и создании динамической модели, алгоритмов и метода компьютерного моделирования процессов антропогенного изменения состояния массива горных пород с целью обеспечения принятия решений по эффективному и безопасному управлению подземными горными предприятиями.

Практическое значение работы состоит в создании временной методики прогнозирования развития процессов деформирования и разрушения элементов горного массива (увеличение трещиноватости, образование куполов обрушения, сдвижение пластов, образование мульды на дневной поверхности и т.д.) в зоне ведения очистных работ, позволяющей осуществлять управление этими процессами во время и по окончании добычных работ в этой зоне.

Реализация результатов работы. Разработанные модели, алгоритм и метод динамического имитационного моделирования используются для создания системы компьютерного моделирования изменений массивов горных пород при работе горных предприятий. Осуществлен пионерный расчет деформирования напластования горных пород над выемочным столбом пласта угольной шахты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях научного семинара кафедры АСУ МГГУ (Москва, 2010-2012 гг.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2010-2012гг.), на научно-практической конференция «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Троицк, 2009 г., призер программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («Умник»), на 7-м горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС, Россия, 2011» (Москва, 2011 г., победитель конкурса студенческих работ), на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011» (Новочеркасск, 2011 г).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, 7 из которых - в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.

1. Анализ средств и методов прогнозирования геомеханических процессов на угольных шахтах

1.1 Геомеханические процессы на шахтах и рудниках

Масштабная разработка месторождений полезных ископаемых сопряжена с мощным техногенным воздействием на земную кору. Длительные сроки эксплуатации месторождений, большие объемы перемещаемых пород, концентрация добычи на ограниченных территориях - все это способствует нарушению первоначального напряженно-деформированного состояния земной коры на обширных территориях. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами, такими как тектонические подвижки по структурным блокам, естественные землетрясения, возникают так называемые наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью человека [20, 21, 27]. Такие процессы по силе их проявления сопоставимы с естественными, а их опасность усугубляется тем, что они происходят в областях концентрации экономической деятельности человека. Каждая из форм проявления наведенных геомеханических процессов способна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в том числе экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции, химические предприятия.

В качестве факторов техногенного воздействия человека на земную кору выступают либо перемещения масс горных пород: выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения в отвалы, либо нарушение гидрогеологического режима в связи с откачкой подземных вод. Источником формирования наведенных геомеханических процессов является нарушение первоначального равновесия в напряженном состоянии верхней части земной коры в результате добычи полезного ископаемого. Вторичное поле напряжений

формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве и за счет изостатического нарушения равновесия вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках. При добыче твердых полезных ископаемых сопутствующими факторами выступают откачка подземных вод, образование депрессионных воронок.

По своей сути, нарушение равновесия напряженно-деформированного состояния массива - это разрушение твердых тел [23, 26]. Разрушение твердых тел происходит вследствие их деформирования под действием предельных растягивающих, сжимающих и касательных напряжений. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой происходит рост трещин и нарушается его целостность, то наступает необратимое разделение тела на части. Под разрушением твердого тела понимается исчерпание его несущей способности, которое происходит вследствие развития трещин. Способность горной породы сопротивляться деформированию без нарушения сплошности - прочность, а способность сопротивляться росту трещин — трещиностойкость [94].

В зависимости от характера распределения напряжений процесс разрушения, когда монолитное тело теряет сплошность и разделяется на отдельные составляющие, бывает только двух типов: отрывом и сдвигом. Следует иметь в виду, что на образованных при разрушении свободных поверхностях обязательно действуют растягивающие или касательные напряжения; при этом внешняя нагрузка могла быть сжимающей. В качестве примера можно привести лабораторные испытания образцов горных пород в условиях сжатия между плитами пресса, при которых определяют базовую прочностную характеристику — предел прочности на сжатие. Несмотря на то, что внешняя нагрузка является сжимающей, образец разрушается под действием касательных и растягивающих напряжений, действующих на площадках разрушения. Что касается варианта с компонентами сжимающих

напряжений на этих площадках, то их действие препятствует разрушению и, по существу, обусловливает упрочняющий эффект.

Разрушение отрывом является, как правило, хрупким, возникает в результате приложения растягивающих нагрузок, происходит по определенным плоскостям, характерным для кристаллической решетки твердого тела, а поверхность разрушения нормальна к растягивающему главному напряжению.

Разрушение сдвигом является вязким, связано с преимущественным действием касательных напряжений, происходит по плоскости скольжения частей твердого тела относительно друг друга до полного их разделения, а поверхность сдвига ориентирована под углом более 45° к направлению действия главных напряжений [25]. Отметим, что разрушение отрывом может наступать при отсутствии или наличии пластической деформации, а сдвиговое разрушение — только при наличии пластической деформации, сопровождающей акт скольжения. В общем случае любому типу разрушения предшествует пластическое деформирование материала — незначительное локальное или существенное объемное. На процесс разрушения пород влияют: распределение напряжений в пространстве, характер изменения нагрузки во времени, температура тела, скорость деформации [2,3], физико-механические свойства [22] и наличие дефектов сплошности, определяющих концентрацию напряжений.

При построении физических концепции процесса разрушения существуют два возможных подхода. Первый подход — логический, основан на использовании фундаментальных законов физики твердого тела и построении математических моделей. Большие возможности открывают компьютерные технологии расчетов и моделирования. Логический подход позволяет раскрыть природу разрушения «на кончике пера», не прибегая к экспериментальным результатам. Сложности, связанные с использованием

логического подхода, обусловлены ограниченными знаниями законов природы, в частности механизма разрыва молекулярных связей на микроуровне в условиях сложнонапряженного состояния [1, 4, 5]. Второй подход — феноменологический, основан на обобщении теоретических и экспериментальных исследований процессов разрушения при контролируемых параметрах нагружения. Этот подход наиболее широко применяется на практике при изучении механизмов разрушения твердых тел [31, 39, 48]. Многочисленные экспериментальные данные позволяют получить представление о влиянии напряженного состояния на характер разрушения твердых тел. Однако известные модели не в полной мере отражают физику процесса разрушения и некоторые тела «не укладываются» в приведенную схему, проявляя аномальные свойства, которые обусловлены влиянием физико-химических процессов, температурных режимов, параметров внешней среды и других процессов.

Выделяют два основных, существенно различающихся вида разрушения: хрупкое и вязкое. Хрупкое разрушение возникает, как правило, при низких температурах, а также при динамическом приложении растягивающих напряжений поперечно плоскости трещины. Для хрупкого разрушения типична острая, ветвящаяся трещина, которая распространяется с высокой скоростью и движение которой поддерживается за счет потребления накопленной в процессе деформирования потенциальной энергии деформаций. Хрупкое разрушение требует малых затрат энергии и продолжается до тех пор, пока накопленной энергии деформаций достаточно для образования новых поверхностей разрушения. Трещина распространяется пока местные напряжения, возникающие в вершине трещины, не окажутся ниже теоретического предела прочности. Скол — это разновидность хрупкого разрушения, при котором направление плоскости трещины связано с ориентацией кристаллической структуры, а именно с положением ее кристаллографических плоскостей. Вязкое разрушение

связано с высокими температурами и происходит при малых скоростях

деформаций. Оно реализуется в условиях как сжимающих, так и

растягивающих внешних механических нагрузок. Вязкое разрушение

сопровождается значительным пластическим деформированием и

относительным скольжением двух областей среды. Для вязкого разрушения

типична тупая, раскрывающаяся трещина, распространяющаяся с малой

скоростью. Вязкое разрушение требует для своего развития значительных

затрат энергии и характеризуется пластическим течением в условиях, когда

касательное напряжение превышает предельное значение. В этом случае

тело разделяется на части, ограниченные плоскостями сдвига. Под

нагружением понимается процесс приложения к твердому телу внешних

сил, поверхностных или объемных, характеризуемых определенным

законом изменения во времени. Процесс нагружения количественно

описывается временем возрастания нагрузки до максимального значения.

По фактору времени возрастания и действия нагрузки механическое

нагружение условно делят на статическое, квазистатическое и

динамическое. Статическое нагружение реализуется при бесконечно

медленном приложении нагрузки. В буквальном смысле слова статическое

нагружение возможно лишь теоретически, поскольку любое реальное

нагружение осуществляется за конечное время. Предполагается, что при

статическом нагружении фактор времени действия нагрузки не оказывает

существенного влияния на основные показатели процесса разрушения.

Квазистатическим называется нагружение, при котором время возрастания

нагрузки до максимального значения превышает время двойного пробега

звуковой волны до рассматриваемого элемента. Главным в определении

понятия квазистатического нагружения является то, что к моменту

достижения максимальной нагрузки все рассматриваемые элементы

вовлечены в движение и действующие напряжения зависят от закона

изменения нагрузки в месте ее приложения. Динамическим называется

нагружение, при котором время возрастания нагрузки до максимума меньше

времени прихода волны до рассматриваемого элемента. Таким образом, время является значимым фактором и необходимо учитывать особенности, когда одни части тела деформируются с временной задержкой относительно приложенной нагрузки.

В физике взрывных и ударных процессов используют понятие ударно-волнового нагружения [89, 90, 96, 106]. Ударно-волновое нагружение связано с распространением в теле волн напряжений. При этом тело частично поглощает энергию волны напряжений, которая расходуется на неупругое деформирование, реализуемое в форме пластического течения, образования микротрещин и повышения температуры. При таком нагружении может возникать ударная волна, для которой характерно движение элементов среды со сверхзвуковой скоростью, вызванной внешней нагрузкой. Вид необратимых деформаций горной породы при ударно-волновом нагружении во многом определяется ее механическими свойствами, зависящими от минерального состава, температуры, условий деформирования, интенсивности нагружения и других факторов. Эти факторы имеют значение на протяжении всего процесса деформирования и разрушения тела, причем одни пластические деформации и микротрещины возникают сразу после приложения ударной нагрузки, другие — постепенно, с течением времени. Большинство твердых тел при ударно волновом распространении нагрузки утрачивают способность к вязкому разрушению и становятся более хрупкими.

В соответствии с механизмами разрушения можно выделить 3 типа тел [91]:

1) хрупкие тела — это классический объект линейной механики разрушения, в которой рассматриваются закономерности развития трещин;

2) полухрупкие тела, которые проявляют хрупкие и пластические свойства;

3) пластичные (вязкие) тела, которые склонны к большим деформациям и существенно изменяют свою первоначальную форму. Об этих телах нельзя сказать, что они разрушаются в режиме образования трещин, однако при определенных условиях проявляют черты хрупкого разрушения.

Для оценки предельных параметров напряженно-деформированного состояния, вызывающих хрупкое разрушение и пластическое течение твердых тел, используют различные подходы.

Первый подход, традиционный, основан на использовании критериев прочности и пластичности [72, 76, 77, 79]. Недостатком этого подхода является то, что он не учитывает влияние минерального состава, наличие микро- и макродефектов, температуры, времени действия нагрузки и других факторов. Эти критерии широко используются при оценке прочности в статическом и квазистатическом приближении. Однако с помощью этих критериев не может быть описано явление масштабного эффекта при разрушении, динамическое и ударно-волновое распространение трещин.

Второй подход основан на использовании критериев механики рассеянных повреждений [24, 29, 30, 100]. Он учитывает вероятность распределения трещин в единице объема, на поверхности, по пространственным направлениям и динамику их развития. Этот подход представляется наиболее перспективным при описании процессов развития микроповреждений и разупрочнения горных пород [84].

Третий подход основан на использовании критериев механики разрушения в случаях, когда горные породы разрушаются путем распространения трещин. Экспериментальные методы испытаний на трещиностойкость в лабораторных условиях достаточно полно моделируют условия развития трещин с учетом существования различных дефектов,

параметров окружающей среды, типа напряженного состояния и т.д.

15

используют квазистатические и динамические критерии, которые позволяют оценить условия зарождения, равновесия и распространения трещин.

1.2 Существующие методы описания геомеханических процессов

Процесс научного развития вопроса об изменениях напряженно-деформированного состояния начался с трех классических теорий прочности, авторами которых были Галилей (XVI - XVII век), Мариотт (XVII век), Кулон (XVIII век).

Понятия о напряжении и деформации были установлены Коптом около 1822 г. Вместе с теорией потенциала, теорией функций комплексного переменного, вариационным исчислением и законом сохранения энергии эти понятия составили фундамент, на котором в течение XIX в. были построены начала математической теории упругости и классической гидромеханики. Основной вклад в развитие данных научных направлений внесли Навье, Пуассон, Грин, Стоке, Кирхгоф, Гельмгольц, Сен-Венан, Буссинеск, Максвелл, Кельвин, Рэлен, Лява, Лэмба, М.В. Остроградский, И.С. Громека, Н.Е. Жуковский, A.B. Гадолин, Х.С. Головин. Классические теории прочности не обладают достаточной общностью и точностью. Это заставило ученых усложнить свои поиски и обратиться к тем или иным комбинациям инвариантов напряженного и деформированного состояний, т. е. ввести в рассмотрение функции от инвариантов, выбираемые на основе каких-либо физических соображений.

В 1913 г. Мизес, а в 1924 г. Генки предложили принять за условие пластичности положение, которое через напряжения может быть записано в форме:

О О 0 0

(сгх-ст2) +(cr2-a3) +(<73-<71) = 2(7s (1)

В 1882 г. Otto Мор опубликовал свою первую статью о графическом представлении напряженного состояния, указав в дальнейшем, что его графический метод приложим также и в анализе распределения моментов инерции в твердых телах [45, 46].

В тоже время получила развитие еще одна теория прочности, так называемая энергетическая. Работа формоизменения связана со сдвигами и касательными напряжениями. Оказалось, что между этой теорией и третьей классической теорией прочности имеется много общего и они количественно незначительно отличаются друг от друга [86, 87, 88, 103, 104].

По третьей и энергетической теориям прочности за разрушение принимается начало пластической деформации и предполагается, что материал обладает одинаковым сопротивлением простому растяжению и сжатию [110]. Многие исследователи (например, Кулон, Дюге) делали попытки усовершенствовать теорию прочности и обойти это предположение. Так появилась теория прочности О. Мора, которую он опубликовал в 1882 г. и затем вторично в 1900 г.

Теория Мора предполагает, что скольжение (разрушение) возникает по площадкам, проходящим через ось среднего главного напряжения, где реализуется наибольшее из главных касательных напряжений. В отличие от третьей теории прочности, согласно которой предельное напряжение для о постоянно для данного материала. Мор предполагает, что величина этого предельного касательного напряжения зависит от величины нормального напряжения, а на площадке скольжения существует для данного материала предельная кривая aß (рисунок 1). Мор сделал еще одно существенное предположение, что промежуточное главное нормальное напряжение о2 не влияет на предельную кривую. По физическому смыслу этой теории ордината предельной кривой растет при убывании абсциссы, так как

сопротивление скольжению возрастает по мере перехода от растяжения к сжатию. Мор указывает, что предельная кривая должна быть получена из серии опытов над данным материалом.

г

в

Рисунок 1. Теория разрушения Мора

Разрушение материала по Мору происходит следующим образом. По мере роста нагрузки напряженное состояние в опасной точке, описываемое кругом Мора ABC (заштрихован на рисунке 1), увеличивается. В некоторый момент главный круг А'В'С' коснется предельной кривой1 и произойдет разрушение. Координаты точки касания В' дают нормальное и касательное напряжения разрушения, а угол (р — наклон площадки разрушения к одному из главных направлений.

Теория Мора нашла подтверждение в многочисленных опытах с пластичными и с хрупкими материалами и получила широкое распространение. До настоящего времени появляются все новые работы, посвященные ее развитию и применению.

Особое место в вопросе изучения напряженно-деформированного состояния горных пластов занимает вопрос учета влияния трещин и полостей (газонаполненных и нет) на прочность и устойчивость горных пород. Принципиальная значимость этого вопроса очевидна, т.к., по сути, финальной стадией деформации является разрушение или обрушение

горной породы, которое в свою очередь является процессом бесконечного роста трещины (разрушение-откол) или трещин (разрушение на множество элементов).

Поведение горных пластов и бортов выработок при проведении очистных работ в угольных шахтах, а также их способность нести механическую нагрузку во многом определяются имеющимися в их теле трещинами, порами и другими неоднородностями. Наличие в теле неоднородности приводит к изменению его деформационных и прочностных характеристик. Данному вопросу посвящен ряд работ видных ученых Ю.Ф. Коваленко, Р.В. Гольдштейн, И.И. Кайдо и других [28, 32, 70].

Согласно развитым в этих работах представлениям, механизм роста газонаполненных трещин под действием расширения содержащегося в них газа является определяющим как для явления изменения прочностных характеристик и устойчивости горных пород, так и для целой совокупности родственных ему явлений, происходящих в шахтах, в том числе, перехода газа метана в газообразное состояние и выброса его в забой и выработки шахты. Отличительной чертой этого процесса является то обстоятельство, что угольные пласты находятся в состоянии всестороннего сжатия горным давлением [33, 64, 69], и рост имеющихся в них газонаполненных трещин происходит при разгрузке пласта в процессе добычи от горного давления за счет расширения содержащегося в порах газа высокого давления.

Традиционные расчеты прочности ведут в предположении, что они лишены трещин или подобных им дефектов. При этом свойства горных пластов тождественны свойствам пород, формирующим их, определенным на образцах стандартными методами.

В настоящее время в Московском государственном горном

университете разрабатывается ряд перспективных способов определения

наличия и параметров трещин в свите пластов, прилегающих к очистному

19

забою [10]. Основная идея заключается в том, что вокруг выработки к моменту её формирования на границе с выработанным пространством выделяют зоны А и Б соответственно сохранения сплошности пласта и пород кровли, зона отжима В и зона расслоения пород кровли Г, а также зона Д обрушенных пород кровли (рисунок 2).

Рисунок 2. Вариант зонального деления в окрестности добычных работ

С учетом явления тональной дезинтеграции до момента образования структуры, показанной на рисунке 2, в массиве вокруг выработки в период ее проходки формируется структура концентрических цилиндрических зон, характеризующихся трещиноватостью более интенсивной, чем в нетронутом массиве (рисунок 3).

Рисунок 3. Структура концентрических цилиндрических зон

Принципы построения теорий прочности, которые хорошо сформулированы М. М. Филоненко-Бородичем, состоят в следующем:

1) вводится гипотеза о преимущественном влиянии избранного расчетного показателя на процесс разрушения;

2) на основе принятой гипотезы строится теоретический аппарат расчета (теория прочности);

3) построенная теория проверяется на опытах в различных условиях, и отсюда делается вывод о пригодности, непригодности или частичной, т. е. ограниченной, пригодности принятой гипотезы.

Рассмотренные выше теории прочности основываются на механических показателях — инвариантах тензора напряжений и тензора деформации. Они получили название механических теорий прочности [85].

Метод их построения (гипотезы, использование категорий механики сплошных сред) показывает, что они не могут охватить всю физическую сложность явления разрушения материала и, потому эти теории прочности можно назвать еще феноменологическими. В связи с этим для адекватного построения модели зоны влияния очистной выработки, способной отражать антропогенные изменения, протекающие внутри нее после начала добычных работ, необходимо прибегнуть к использованию нескольких теорий, каждая из которых детально описывает процесс протекающие в различных частях горного массива выше очистного забоя.

1.3 Анализ инструментальных средств моделирования

В настоящее время проблемы построения и исследования математических моделей систем различного назначения, сигналов, разнообразных природных процессов занимают одно из видных мест в современной науке. Проникновение математических методов в технику, естествознание и гуманитарные науки идет по пути математического проектирования и моделирования соответствующих объектов, а все более возрастающие возможности вычислительной техники обеспечивают большой успех этому научному направлению.

Формализация задач синтеза и анализа измерительно-вычислительно-управляющих систем и комплексов, а также применение численных методов решения задач позволяют использовать хорошо изученные приемы решения и стандартное (универсальное) математическое обеспечение ЭВМ. Применение ЭВМ повышает эффективность научных исследований, позволяет проводить моделирование сложных объектов и явлений.

Рассмотрим программное обеспечение персональных компьютеров, используемое для математического моделирования различных задач. В последние годы в развитии программного обеспечения для персональных ЭВМ прослеживается тенденция применения интегрированных пакетов прикладных программ, включающих наряду со специализированными программами и программы подготовки отчетов, и многое другое.

Пакет MATLAB [38, 59]. Модульный подход к моделированию достаточно

глубоко реализуется в современных интегрированных средах (пакетах

прикладных программ). Одним из них является интегрированная среда (в

определенном смысле энциклопедия технических применений при

проектировании и моделировании) MATLAB фирмы "The Math Works Inc"

(USA), которая, по существу, переместилась с "больших" машин на

персональные компьютеры в конце 80-х годов, а широкое применение

22

получила в 90-х годах в связи с существенным "улучшением" характеристик персональных компьютеров.

Система МАТЬАВ предназначена для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной визуализации получаемых результатов. Эта система применяется в математике, вычислительном эксперименте, имитационном моделировании, финансовых расчетах и ряде других областей. В пакет входит множество хорошо проверенных численных методов (решателей), операторы графического представления результатов, средства создания диалогов. Отличительной особенностью МАТЬАВ по сравнению с рядом других пакетов является матричное представление данных и большие возможности матричных операций над данными. Используя пакет МАТЬАВ, можно, как из кубиков, построить довольно сложную математическую модель, или написать свою программу, а можно, используя 81МЦЫМС и технологию визуального моделирования, составить имитационную модель системы или комплекса и многое др. Гибкий язык МАТЬАВ дает возможность инженерам и ученым легко реализовывать свои идеи. Мощные численные методы и графические возможности позволяют проверять предположения и новые идеи, а интегрированная среда дает возможность быстро получать практические результаты.

Сегодня МАТЬАВ используется во множестве областей, среди которых обработка сигналов и изображений, проектирование систем управления, финансовые расчеты и медицинские исследования. Его открытая архитектура делает возможным применение МАТЬАВ и сопутствующих продуктов для исследования данных и создания собственных инструментов, использующих функциональные возможности МАТЬАВ.

Операции, выполняемые при создании пользовательского интерфейса в среде МАТЬАВ, аналогичны по простоте и наглядности операциям

визуального программирования, выполняемым в среде программы Visual Basic.

Пакет ANS YS [61, 67]. Численные методы расчета напряженно-деформированного состояния на основе программных комплексов для ЭВМ находят все большее распространение. Весьма большими возможностями обладает программный комплекс ANSYS (продукт фирмы ANSYS Inc.), позволяющий решать инженерные краевые задачи в области напряженно-деформированного состояния, прочности, теплопроводности, гидромеханики, вынужденных колебаний и т.п. Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат этого программного продукта, является метод конечных элементов.

Применительно к механике деформируемого твердого тела (МДТТ) комплекс ANS YS позволяет решать следующие задачи:

линейные и нелинейные статические задачи (нелинейности могут быть геометрические и физические);

задачи расчета собственных форм и частот колебаний;

задачи расчета вынужденных колебаний;

задачи определения собственных форм потери устойчивости;

задачи исследования динамических переходных процессов (в том числе ударного взаимодействия);

спектральные задачи.

Кроме того, комплекс ANSYS позволяет проводить оптимизацию конструкций, допускает применение суперэлементов (подконструкций) и имеет целый ряд дополнительных возможностей. К таким возможностям,

представляющим интерес при решении задач геомеханики, относятся следующие:

уточненный расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) в локальных зонах;

расчет механики разрушения;

определение характеристик выносливости;

применение р-элементов (только для расчетов задач определения линейного статического НДС).

Пакет МАТНСАБ [75, 78]. Другая сторона развития программного обеспечения - ориентация на "непрограммирующего пользователя". В этом случае пользователь такого пакета получает возможность сосредоточиться на сущности самой задачи, а не способах ее программной реализации. В свою очередь, пользователь должен ясно представлять возможности используемого пакета и заложенных в нем методов, а также уметь выбрать необходимый пакет, соответствующий решаемой задаче.

МАТНСАБ - универсальный математический пакет, предназначенный

для выполнения инженерных и научных расчетов. Математическое

обеспечение пакета позволяет решать многие задачи в объеме вуза.

Разработчики этого пакета совершенствуют пакет от версии к версии. В

настоящее время существуют версии МАТНСАЭ 2000 и МАТНСАБ 2001,

обладающие большими возможностями. Существуют оригинальная

(англоязычная) и русифицированная версии программы. От калькулятора

пакет МАТНСАЭ отличает вычисление с произвольной точностью, работа с

различными типами данных (комплексные, векторы, матрицы),

использование библиотеки математических функций, которая может быть

дополнена собственными программами. Основное преимущество пакета

перед типичными языками программирования - естественный

25

математический язык, на котором формулируется решаемая задача. Пакет объединяет в себе: редактор математических формул, интерпретатор для вычислений, библиотеку математических функций, процессор символьных преобразований, текстовый редактор, графические средства представления результатов. Пакет MATHCAD относится к интегрированным пакетам, т. е. позволяет не только произвести вычисления, но и получить документ -итоговый отчет с комментариями, формулами, таблицами и графиками. В отличие от издательских систем формулы в MATHCAD работают.

К положительным качествам MATHCAD следует отнести открытость: все приведенное в документе может быть воспроизведено, а интеграция в одном документе исходных данных, метода решения и результатов позволяет сохранить настройки для решения подобных задач.

Пакет Lab VIEW [80, 81]. Позволяет работать с виртуальными приборами и инструментами аппаратно-программного комплекса LabVIEW. Комплекс Lab VIEW предоставляет возможность одновременного использования функций многих приборов различного назначения, а также функций обработки результатов измерений и многое др. Наработки в области компьютерной графики позволили разработчикам LabVIEW 6.1 добавить новые трехмерные элементы пользовательского интерфейса для создания профессионально оформленных измерительных систем. Пакет прикладных программ LabVIEW обеспечивает программную поддержку автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ) и автоматизированных систем управления (АСУ). Персональный компьютер традиционной комплектации дополнен многофункциональными встроенными платами ввода/вывода аналоговой и цифровой информации для стационарных и портативных компьютеров, стандартных интерфейсов (VME, IEEE, RS), сетей промышленных контроллеров (внешних адаптеров). Среда LabVIEW многофункциональна и обеспечивает обмен информацией с

внешними измерительными, следящими, управляющими устройствами;

26

анализ и обработку полученной информации; сбор, хранение и передачу (в том числе и по сетям) информации; поддержку математического эксперимента (работу с виртуальными инструментами); обеспечение пользовательского интерфейса АСУ и АСНИ. Сочетание двух и более функций LabVIEW позволяет создать эффективную систему управления, контроля, передачи данных. Основная особенность LabVIEW, с точки зрения пользователя, - графическая интерпретация языка программирования этой системы. Графический язык - язык функциональных блок-диаграмм -позволяет значительно упростить создание, например, программ управления внешним объектом или обработки данных, полученных от внешнего устройства. Вместе с тем, в среде LabVIEW возможно использование программ на Си. Возможности системы расширяются за счет дополнительных библиотек по работе с базами данных (SQL, Toolkit), обработке изображений (Convert VI), PID-регулированию (PID Control). Управление экспериментом - одно из возможных приложений LabVIEW. Для пользователя управление экспериментом сводится к работе с лицевой панелью виртуальной установки на экране монитора, с помощью которой он наблюдает за необходимыми параметрами и управляет программно-аппаратным комплексом.

Пакет STATISTICA [82, 83]. Во многих естественно-научных областях статистические методы были и остаются важной составной частью процедуры обработки результатов измерений. Это касается практически всех отраслей знаний: физики, химии, биологии, геологии, метеорологии и многих др. Современные программы для статистической обработки данных позволяют применять сложные современные методы анализа даже в тех областях, где ранее такие исследования были чрезвычайно трудоемкими и, следовательно, проводились достаточно редко. Некоторые примеры применения системы STATISTICA для обработки экспериментальных данных можно найти в документации на систему. Методы математической

статистики изучают не только студенты естественно-научных специальностей, но и экономисты, инженеры, психологи, социологи и многие другие специалисты. Поэтому курс математической статистики входит в программу большинства высших учебных заведений, а неотъемлемой его частью становится освоение соответствующего программного обеспечения. Опыт работы показал, что система STATISTICA может служить не только эффективным инструментом для научных исследований, но и чрезвычайно удобной средой для обучения методам статистического анализа. Перечислим продукты фирмы StatSoft: STATISTICA 5.5 - мощный пакет статистического и графического анализа данных; Quick STATISTICA - базовый набор наиболее часто используемых статистических методов плюс все фактические возможности системы STATISTICA плюс языки программирования; Power analysis - приложение для анализа необходимых условий получения надежных статистических результатов; Neural Networks - универсальная программа для проведения анализа в нейронных сетях.

Вывод: все описанные программные средства моделирования обладают большим количеством плюсов. Они являются лидерами в сфере моделирования различных процессов, но ни один из них не ориентирован на моделирование геологических объектов. В них отсутствуют специальные способы введения первичных данных, многие из этих средств крайне критично зависят от формализации входных данных, у многих отсутствует возможность моделирования трехмерных объектов, для многих крайне сложен вопрос взаимодействия с внешними базами данных. Следовательно, ни одна из вышеописанных программ моделирования в чистом виде не подходит для моделирования антропогенных изменений внутри горного массива, в частности и месторождения ПИ в общем.

1.4 Цели и задачи исследования

Проведенный анализ позволил сформулировать цель настоящей работы, которая заключается в создание метода моделирования антропогенных изменений массива горных пород в зоне очистных работ, способного с достаточной долей вероятности прогнозировать развитие подземных процессов во время ведения добычных работ и по их окончании.

Идея работы состоит в представлении сплошной среды в зоне ведения очистных работ в виде слоисто-блочной системы напластования горных пород, что впервые позволяет создавать дискретную динамическую модель изменения физико-механического состояния отдельных элементов такой среды.

Задачи исследования:

1. Изучение, анализ и выявление наиболее значимых факторов, параметров горного массива и процессов антропогенных изменений, вызванных очистными работами на угольных шахтах;

2. Разработка классификатора объектов, позволяющего формализовать процессы, протекающие внутри массива горных пород;

3. Разработка модели деформирования свиты горных пластов в окрестностях очистного забоя и выше него вплоть до дневной поверхности;

4. Разработка алгоритма моделирования деформации горных пород в процессе добычи ПИ;

5. Создание метода динамического моделирования деформаций массива горных пород в зоне влияния очистных работ на основе ГИС-технологий;

6. Разработка временной методики моделирования деформирования горных пород с использованием предложенного метода моделирования анизотропных изменений массива горных пород.

2. Исследование методов геоинформационного моделирования сплошных сред

2.1 Методы геомеханического моделирования

Производство горных работ сопровождается нарушением начального напряженного состояния породных массивов [16,65, 73, 107]. Горные работы часто связаны с образованием выработанных пространств в породном массиве или горных выработок. Окружающие выработку горные породы перемещаются в сторону выработанного пространства, причем величина этих перемещений тем больше, чем ближе горные породы расположены к породному обнажению, т.е. вмещающий горную выработку породный массив деформируется. Деформации растяжения в направлении выработки (в «радиальном» направлении) сопровождаются деформациями сжатия во взаимно перпендикулярных направлениях (в «окружном» и «продольном» направлениях), которые обычно совпадают с направлениями очертания контура выработки. Возникающие вокруг выработки деформации растяжения и сжатия горных пород определяют появление соответствующих по знаку и величине дополнительных напряжений, которые искажают или нарушают начальное напряженное состояние породных массивов.

Вокруг горных выработок формируется новое напряженно-деформированное состояние, которое наиболее существенно отличается от начального вблизи контура выработок и практически не отличается вдали от контура [51, 62, 101]. Другой характерной чертой нового напряженно-деформированного состояния вокруг выработок обычно является относительное увеличение или концентрация «окружных» нормальных напряжений и относительное уменьшение или деконцентрация «радиальных» нормальных напряжений. Концентрация напряжений формирует так называемые области опорного давления, а деконцентрация — области

разгрузки в породном массиве. Если новое напряженно-деформированное состояние превосходит некоторый предельный для породного массива уровень, начинается его разрушение, которое в свою очередь изменяет напряженно-деформированное состояние вокруг выработок. Концентрация напряжений или опорное давление смещается вглубь массива, разгружая его приконтурную область. Разрушение на контуре выработок может носить спокойный статический характер или динамический в виде горных ударов и выбросов. Но даже при статическом разрушении горных пород они возможны, и представляют опасность для нормальной эксплуатации выработок, так как могут потерять устойчивость и обрушиться в выработку.

Таковы самые общие качественные закономерности геомеханических процессов, независимо от того, где они имеют место быть: вокруг капитальных, подготовительных или очистных выработок, при разработке пластовых или рудных месторождений.

Для решения тех или иных инженерных задач горного дела, помимо качественного описания геомеханических процессов, необходима их количественная оценка, которая может быть получена в результате натурных измерений различных проявлений геомеханических процессов или в результате их моделирования [97]. При описании методов исследования начального напряженного состояния породных массивов моделирование обладает тем преимуществом по сравнению с натурными измерениями, что раскрывает общие качественные и количественные закономерности геомеханических процессов. Для анализа геомеханических процессов используется физическое и математическое моделирование. Среди физических методов моделирования чаще всего применяется моделирование на эквивалентных материалах и на оптически активных материалах.

Физические методы моделирования. Метод эквивалентных материалов основан на моделировании геомеханических процессов с

помощью искусственных материалов, образующих модель исследуемого породного массива с выработками при соблюдении специальных критериев подобия [103, 105]. Этот метод позволяет исследовать, главным образом, качественную сторону геомеханических процессов. Моделирование на эквивалентных материалах оказывается полезным в сложных по геологическому строению массивах для анализа геомеханических процессов, сопровождающихся расслаиванием, разрушением и перемещением горных пород. Метод позволяет также воспроизводить основные горнотехнические операции по выемке полезного ископаемого и креплению выработок. Вместе с тем следует подчеркнуть, что с помощью этого метода затруднительно построить подробную картину распределения напряжений в исследуемом породном массиве. В основе поляризационно-оптического метода лежит способность некоторых прозрачных материалов приобретать под действием механической нагрузки свойство временного двойного лучепреломления.

Если на пути поляризованного луча, полученного после прохождения луча через поляризатор, поместить напряженную плоскую модель из оптически чувствительного материала, то в каждой точке модели луч света будет разложен на два плоско-поляризованных луча, плоскости колебания которых взаимно перпендикулярны и совпадают с направлениями главных нормальных напряжений. Имея различные скорости распространения, эти два луча приобретают на выходе из модели разность хода. После прохождения через анализатор лучи приводятся к одной плоскости, колебания опережающего и отстающего лучей складываются и создают интерференционную картину: полосы с одинаковой интенсивностью освещения, называемые изохромами, соединяют точки с одинаковой разностью хода и, следовательно, с одинаковой разностью главных нормальных напряжений. Моделирование на оптически активных материалах позволяет построить распределение напряжений в исследуемом породном

массиве, но становится малополезным при исследовании процессов разрушения и расслоения массива.

Математические методы моделирования. Математическое моделирование имеет определенные преимущества перед физическим моделированием [92, 93, 95, 102]. Оно обладает наибольшей общностью при описании геомеханических процессов, так как свободно от влияния частных факторов, отражающих специфику горнотехнической ситуации и обычно воспроизводимых при физическом моделировании. Математическое моделирование позволяет исследовать геомеханические процессы в более широком диапазоне определяющих факторов, т. е. позволяет прогнозировать развитие геомеханических процессов. В качестве методов математического моделирования наиболее широко используются методы механики сплошной среды: механики деформируемого твердого тела (теории упругости, теории пластичности, теории ползучести), механики сыпучих, вязких и жидких тел. Имеется опыт математического моделирования с применением методов механики дискретной среды, которые в определенных условиях, например для раздельно блочных породных массивов, представляются весьма перспективными.

Применяется также математическое моделирование, основанное на специальных рабочих гипотезах и получившее в прошлом определенное распространение. В настоящее время такое моделирование находит ограниченное применение, уступив место математическому моделированию, в основе которого лежат строгие методы механики [85, 107, 108, 110]. С развитием вычислительной техники в математическом моделировании наряду с традиционными аналитическими методами все шире применяются численные методы.

При математическом моделировании геомеханических процессов чаще всего используются методы механики деформируемого твердого тела,

которые рассмотрим более подробно. В основе механики деформируемого твердого тела, как раздела механики сплошной среды, лежит математическая гипотеза о сплошности среды (тела). В действительности все материальные тела, состоящие из отдельных элементарных частиц (твердые тела, в том числе горные породы, кроме того состоят из отдельных структурных элементов), не являются сплошными с физической точки зрения. Тем не менее в рамках механики сплошной среды, если учитывать большое количество элементарных частиц (а также структурных элементов) в любом бесконечно малом объеме, предполагается, что материальная среда, обладающая определенными физическими свойствами, сплошным непрерывным образом заполняет пространство в объеме данного тела. Еще раз подчеркнем, что имеется в виду математическое понятие сплошности, которое тождественно тому, что для описания механических процессов в объеме данного тела используются непрерывные функции координат. Модель сплошной среды является весьма удобной идеализацией реальных сред, так как дает возможность использовать математическое моделирование механических процессов в реальных средах.

Легко заметить, что использование гипотезы о сплошности среды при моделировании геомеханических процессов в горных породах, связано с представлением соответствующего элементарного объема, определение которого было сформулировано выше как бесконечно малого объема по сравнению с объемом исследуемой горной породы. Правомерность использования гипотезы о сплошности и допускаемая при этом погрешность должны оцениваться по тому, насколько соответствующий элементарный объем отличается от бесконечно малого объема. Помимо основной гипотезы о сплошности среды, в механике деформируемого твердого тела часто используется гипотеза о малости деформаций. Твердые тела, в том числе и горные породы, как правило, обнаруживают бесконечно малые деформации по сравнению с размерами самих тел. Гипотеза о малости деформаций

позволяет при математическом моделировании удерживать во всех уравнениях только линейные члены, содержащие бесконечно малые первого порядка, т. е. решать соответствующие задачи в линейной постановке (в геометрическом смысле), что значительно упрощает математический анализ.

2.2 Анализ средств моделирования геомеханических процессов

В мировой горной практике широко используется компьютерное моделирование различных объектов и процессов. Лучшие показатели применения компьютерных технологий в горнодобывающей промышленности имеют интегрированные системы крупных специализированных фирм США, Австралии, Канады, Англии, Франции и ЮАР (Mintec Inc., The Datamine Group, Systemes GeoStat International Inc., Mincom Pty Ltd, Techbase International Ltd, Genicom Software International Inc., Carlson Software, Metech Pti Ltd, Micromine Ltd и другие). Типичная для таких систем структура выполняемых функций приведена на рисунке 4.

Я

Общее

Интерп- Проекти-

планиро- Бурение и ретация и вание и опробо- подсчет разведка вание запасов

рование рудника и оптимизация

I

I

Ядро MICROMINE I I

MICROMINE

f

Горное Добыча и план*- контроль рование содер-

I

Извлечение и рекультивация

Общее планирование и управление

MineMAX

I I

PITRAM I I

GBIS

Рисунок 4. Программы и их структура выполняемых функций

В России и странах СНГ много говорится о создании интегрированных компьютерных систем, позволяющих строить и применять модели геологических и горно-технологических объектов, но до сих пор нет единого мнения о стандартизованном наборе выполняемых ими функций и

35

применяемых методах. Поэтому имеющиеся реализации таких систем очень разнообразны, выполняются небольшими коллективами и не являются пока «локомотивами» развития горнодобывающей промышленности.

Основу любой из геоинформационных систем (ГИС-систем) составляет модель сплошной среды - массива горных пород в пределах разведываемого или отрабатываемого участка месторождения полезных ископаемых [13, 15]. По способу построения эти модели подразделяются на блочные и каркасные (обособленные оболочкой участки среды, тела). В обоих случаях в пределах каждого блока или ограниченного каркасом тела среда является квазиизотропной. Анизотропия среды моделируется резким изменением значений определяющих параметров при переходе от одного блока (тела) к другому (соседнему).

Доскональность отображения свойств реальных элементов сплошной среды в моделях измеряется количеством параметров, определяющих ее анизотропию (таблица 1).

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Пасечник, Иван Александрович

Основные результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Разработан классификатор объектов и процессов горнотехнических систем и связей между ними, позволяющий использовать классические методы вероятностного имитационного математического моделирования процессов деформации системы элементов горного массива при ведении очистных работ в условиях неопределенности состояния последней;

2. Разработана вероятностная имитационная модель антропогенного изменения состояний и деформирования системы элементов горного массива, позволяющая прогнозировать развитие зоны обрушений и процессы деформирования горных пород вплоть до изменения дневной поверхности;

3. Сформирован алгоритм моделирования антропогенных изменений анизотропного массива горных пород, описывающий порядок протекания и взаимного влияния различных процессов в зоне ведения очистных работ, и выбраны определяющие факторы для системы вероятностного динамического моделирования;

4. Разработан метод моделирования антропогенных изменений массива горных пород на основе ГИС-технологий, позволяющий описывать вероятностные динамические процессы деформации дискретных элементов пластов горных пород и рассчитать параметры растрескивания и пластического деформирования этих элементов, а также пространственно-временных изменений зон обрушения при ведении очистных работ.

Заключение

В диссертационной работе решена научная задача - создание метода моделирования антропогенных изменений горного массива в зоне очистной выработки на основе ГИС-технологий. Данный метод является универсальным и может применяться на шахтах, для которых созданы геологические модели месторождений полезных ископаемых с высоким уровнем анизотропии, т.к. принципиально важным остается вопрос полноты изначальных данных для моделирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пасечник, Иван Александрович, 2012 год

Список использованной литературы

1. A.C. Иванов «Численное моделирование влияния скорости обнажения горных пород на механические процессы вблизи сопряжения очистной и подготовительной выработки», 2009 г., Днепропетровск, «Форум горняков-2009»;

2. A.B. Мансуров «Поведение горных пород при различных скоростях нагружения», 1982 г., Илим;

3. Н.И. Красько «Исследования зависимости прочности пород на растяжение от времени их нагружения», 2002 г., «Прничо-геолопчна»;

4. П.В. Макаров «Моделирование обрушения кровли над выработанным пространством», 2008 г., «Физическая мезомеханика»;

5. П.В.Макаров «Сценарии эволюции горного массива над выработкой», 2009 г., «Физическая мезомеханика»;

6. П.В. Макаров «Исследования вязких и релаксационных свойств металлов в ударных волнах методами математического моделирования», 1987 г., «Физика горения и взрыва»;

7. Бахвалов JI.A. «Моделирование систем», 2006 г., Москва, «Горная книга»;

8. «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях», С-Петербург, 1998 г.;

9. Мустафин М.Г. «Моделирование геомеханического состояния пород, вмещающих горную выработку», СПб.: СПбГАСУ, 1999 г.;

10.И.И. Кайдо «Особенности сохранения и формирования подготовительных выработок на границе с выработанным пространством при зональной дезинтеграции массива»; ГИАБ № 3 стр. 66-70, 2010 г.;

П.ВостНИИ. «Временное руководство по расчету первичного и последующих шагов обрушения пород кровли при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию в условиях Кузбасса», Кемерово, 1973 г.;

12.И.А. Пасечник Ст. «Моделирование антропогенных изменений горного массива на основе ГИС-технологий», Препринт ГИАБ № 10 стр. 3-10, 2011 г.;

13.И.А. Пасечник, В.М. Шек Ст. «Анализ методов моделирования процессов обрушения горных пород при подземной добыче полезных ископаемых»., ГИАБ № 6, стр. 194-198, 2010 г.;

14.В.М. Шек, И.А. Пасечник Ст. «Классификатор объектов угольной шахты для задач моделирования деформаций горного массива в процессе ведения очистных работ», ГИАБ отд. выпуск № 6, стр. 349357, 2011 г.

15.В.М. Шек, И.А. Пасечник Ст. «Компьютерное моделирование процессов обрушения горных пород в угольных шахтах», ГИАБ № 1, стр. 159-165, 2010 г.;

16.В.М. Шек, И.А. Пасечник Ст. «Моделирование обрушения горных пород в очистных забоях угольных шахт», ГИАБ отд. выпуск № 5, стр. 363 -368, 2010 г.;

17.И.А. Пасечник, В.М. Шек Ст. «Модели деформации свиты горных пластов при очистных работах», ГИАБ отд. выпуск № 6, стр. 221-227, 2011 г.;

18.И.А. Пасечник, В.М. Шек Ст. «Применение ГИС-систем при решении экологических проблем в районах угольных шахт», ГИАБ отд. выпуск №6, стр. 215-220, 2011 г.;

19.И.А. Пасечник Электронная статья «Инновационные решения в вопросах моделирования деформации массива горных пород, ослабленных очистной выработкой», Minex Russia, 2011 г.;

20.Панюков П.Н. Инженерная геология, Москва, «Недра», 1978 г.;

21.Ржевский В.В., Новик Г.Я. «Основы физики горных пород», Москва, «Недра», 1967 г.;

22.Рац М.В. «Неоднородность горных пород и их физических свойств», Москва, «Наука», 1968 г.;

23.Фисенко Г.Л. «Методы количественной оценки структурных ослаблений массива горных пород в связи с анализом их устойчивости // Современные проблемы механики горных пород», Москва, «Наука», 1972 г.;

24.«Методические рекомендации по изучению трещиноватости массива скальных пород для решения задач механики горных пород», Белгород, ВИОГЕМ, 1976 г.;

25.Рыжов П.А. «Геометрия недр», Москва, «Недра», 1964 г.;

26.Напряженное состояние земной коры по данным измерений в горных выработках и тектонофизического анализа / М.В. Гзовский, И.А. Турчанинов, Г.А. Марков и др. // Напряженное состояние земной коры. — М.: Наука, 1973.

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

28.Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок.

— М.: Недра, 1976.

29. Фадеев А.Б. Некоторые теоретические предпосылки для оценки прочности трещиноватой среды // Современные проблемы механики горных пород. — Л.: Наука, 1972.

30. Инструкция по определению геометрических параметров этажно-камерных систем разработки в Криворожском железорудном бассейне.

— Кривой Рог: изд. НИГРИ, 1973.

31. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых.— М. -Л.: Углетехиздат, 1953.

32. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. — М.: Физматгиз.1960.

33. Борщ-Компониец В.И. Механика горных пород массивов и горное давление. — М.: изд. МГИ, 1968.

34. Борисенко С.Г., Копица Ф.А. Камерная система разработки в горнорудной промышленности. — М.: Госгортехиздат, 1960.

35. Бронников Д.М., Богданов Г.И. О технологических схемах рудника будущего // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. — М.: Недра, 1979.

36. Юматов Б.П. Технология открытых горных работ при комбинированной разработке рудных месторождений. — М.: Недра, 1966.

37. Кегель К. Механика сыпучих и твердых тел применительно к горным работам // Международная конф. по горному давлению (г. Льеж). — М.: Углетехиздат, 1957.

38. Мэтьюз Дж. Г Численные методы. Использование МАТЬАВ. — Издательский дом "Вильяме", 2001.

39. Покровский Г.И., Арефьев А.И. Об истечении сыпучих тел // Журнал технической физики. — 1937. —Вып. 4.

40. Временные правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород.

— Л.: изд. ВНИМИ, 1986.

41. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. — М.: Недра, 1988.

42. Добровольский Г.Б., Казикаев Д.М., Петриченко В.П. Крепление скважин большого диаметра. — М.: Недра, 1988.

43. Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. — М.: Недра, 1973.

44. Проведение наблюдений за деформированием бортов карьера «Мир», анализ результатов наблюдений и прогнозирование на основе этих данных устойчивости бортов карьера: Отчет о НИР / Якутнипроалмаз, рук. Н.К. Звонарев. — Мирный, 1991.

45. Протодьяконов М.М. Давление горных пород на рудничную крепь (теория рудничного крепления). — Екатеринослав: Тип. губерн. земства, 1907.

46. Слесарев В.Д. Вопросы управления кровлей. Давление горных пород.

— М.-Л: изд. ОНТИ, 1935.

47. Кузнецов Т.Н. О механизме взаимодействия боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих угольных пластов // Исследования горного давления применительно к механизированным крепям. — М., 1954.

48. Кузнецов Т.Н. Экспериментальные методы исследования вопросов горного давления // Тр. совещания по управлению горным давлением.

— М.: Углетехиздат, 1948.

49. Романовский Г. Об оседаниях почвы над подземными выработками в отношении к охраняемым поверхностям // Горный журнал.— 1898,—Т. 1,—№3.

50. Бокий Б.И. Обрушение потолочной толщи над рудничными выработками в зависимости от системы работ // Горный журнал. — 1903, —№4.

51. Трумбачев В.Ф., Молодцова Л.С. Применение оптического метода для исследования напряженного состояния пород вокруг выработок. — М.: Изд. АН СССР, 1963.

52. Именитов В. Р. Системы разработки мощных рудных месторождений.

— М.: Металлургиздат, 1955.

53. Каплунов Р.П. Подземная разработка рудных месторождений в зарубежных странах. —М.: Недра. 1964.

54. Полищук А.Д., Шостак А.Г. Этажное самообрушение на рудниках Криворожского железно-рудного бассейна. — М.: Металлургиздат, 1953. — 192 с.

55. Стариков Н.А. Системы разработки месторождений. — М.: Металлургиздат, 1967.

56. Агошков М.И. Перспективы применения системы блокового обрушения на рудниках цветной металлургии // Горный журнал. — 1949,—№3.—С. 3—7.

57. Именитов В.Р. Системы подземной разработки рудных месторождений.— МГИ, 1971.

58. Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. — М.: Недра, 1990.

59. Терёхин В.В. Моделирование в системе MATLAB. Часть 1. Основы работы в MATLAB // Практическое пособие. — Новокузнецк, 2005.

60. Справочник по горнорудному делу / Ред. A.M. Терпигорев, Р.П. Каплунов. — Т.2. Подземные работы. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1961.

61. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. // Справочное пособие. —Изд. Машиностроение, 2004.

62. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. — М.: Руда и металлы, 2003.

63. Именитов В.Р., Жигалов M.JL, Пустовалов A.M., Плакса Н.В. Одностадийная выемка со скважинной отбойкой в зажиме. — М.: Наука, 1967.

64. Борщ-Компониец В.И., Макаров А.Б. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей. — М.: Недра, 1986.

65. Казикаев Д.М. Геомеханические процессы при совместной повторной разработке руд. — М.: Недра, 1981.

66. Малахов Г.М. Выпуск руды из обрушенных блоков. — М., 1952.

67. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. // Практическое руководство. - Изд. Едиториал УРСС, 2003.

68. Ветров C.B. Допустимые размеры обнажений горных пород при подземной разработке руд. — М.: Наука, 1975.

69. Панин И.М. Основные положения технологии подземной добычи руд.

— Часть 4. Управление горным давлением — М.: РУДН им. Патриса Лумумбы, 1983.

70. Методические указания по определению допустимых пролетов обнажений трещиноватых горных пород и размеров целиков при подземной разработке рудных месторождений. — М.: ИПКОН РАН, 1978.

71. Терцаги К. Теория механики грунтов. — М.: Г'осстройиздат, 1961.

72. Зенько Д.К., Узбекова А.Р. Основные факторы, влияющие на устойчивость массивов в критериях Бенявского (RMR) и Бартона (Q).

— ГИАБ. — 2004. — № 6. — С. 273—274.

73. Рыльникова М.В., Зотеев О-В. Геомеханика: Учебное пособие. — М.: Руда и металлы, 2003.

74. Терпогосов З.А., Шитарев В.Г., Тарасюк О.П. / Отв. ред. М.И. Агошков. — Оценка запасов твердых полезных ископаемых, вовлекаемых в разработку. — М.: ИПКОН, 1989.

75. Поршнев C.B., Беленкова И.В. Численные методы на базе Mathcad // Учебное пособие. — Изд. BHV, 2005.

76. Кузьмич Е.В., Узбекова А.Р. Рейтинговые классификации массивов горных пород: предпосылки создания, развитие и области применения // ГИЛБ. — 2004. — 4. — С. 201—203.

77. Узбекова А.Р. Методика определения параметров систем с самообрушением IIГИАБ. — 2004. — № 6. — С. 338—340.

78. Фриск B.B. MathCAD. Расчеты и моделирование цепей на ПК - Изд. М.: СОЛОН-Пресс. — 2006.

79. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Опыт использования классификаций массивов горных пород в зарубежной практике // ГИАБ. — 2003. — № 3. —С. 94—96.

80. Свиридов Е.В. Листратов Я. И. Виноградова H.A. Разработка прикладного программного обеспечения в среде Lab VIEW // МЭИ. — 2005.

81. Кучерявский C.B., Суранов А.Я. Основы сетевых технологий. Создание сетевых приложений в среде Lab VIEW.— Изд. Алтайского ун-та. 2005.

82. Боровиков В. П. Нейронные сети. Statistica Neural Networks. Методология и технологии современного анализа данных. — М.: Горячая Линия-Телеком. — 2008.

83.Куприенко Н.В., Пономарева O.A., Тихонов Д.В. Статистика. Методы анализа распределений. Выборочное наблюдение. //Учебное пособие.

— СПб.: Политехнический ун-т, 2009.

84. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд.

— М.: Недра, 1991.

85. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. — Л.: Недра, 1989.

86. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов: Пер. с яп. — Киев: Наук, думка, 1978. — 352 с.

87. Каркашадзе Г.Г., Бельченко Е.Л. Исследование энергонасыщенности массива в зависимости от расположения источников динамических напряжений // Горн, информ.-аналит. бюл. — 1999. — № 1.— С. 27—29.

88. Каркашадзе Г.Г., Мочалов В.И. Исследование влияния касательных и нормальных напряжений на контуре цилиндрической полости на величину энергонасыщения окружающего пространства // Горн, информ.-аналит. бюл.— 1999. —№ 7. — С. 5—8.

89. Каркашадзе Г.Г., Алексеева В.А. Влияние формы горизонтального сечения скважинных зарядов на величину энергонасыщения породного массива при взрывной отбойке// Горн, информ.-аналит. бюл. — 2000.—№ 1.—С. 33—35.

90. Картозия Б.А., Мороз А.И. Возникновение самонапряженного состояния горной породы при разгрузке // Горн, информ.-аналит. бюл.

— 2001. —№4. —С. 5—9.

91. Качалов JIM. Основы механики разрушения. — М.: Наука, 1974. — 311 с.

92. Клюшников В.Д. Физико-математические основы прочности и пластичности: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГУ, 1994. — 189 с.

93. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 224 с.

94. Методика определения вязкости разрушения (трещиностойкости) горных пород.— ИГД им. A.A. Скочинского, 1990.— 15 с.

95. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1996. — 707 с.

96. Николаевский В.Н. Динамическая прочность и скорость разрушения // Удар, взрыв и разрушение. Сер. Механика. Новое в зарубежной науке.

— М.:Мир, 1981.

97. Основы экспериментальной механики разрушения / И.М. Керштейн, В.Д. Ключников, Е.В. Ломакин и др. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.—140 с.

98. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование: Теория и технологии.— М.: Альтекс, 2004.

99. Притыкин Ф.Н Параметрические изображения объектов проектирования на основе использования языка АВТОЛИСП в среде АВТОКАД. - Изд. ОмГТУ, 2008.

100. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород: Учеб. пособие. — М.: МГГУ, 1995. —450 с.

101. Работное Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. —М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. — 744 с.

102. Разрушение / Ред. Г. Либовиц.—Т. 2. Разрушение. Математические основы теории разрушения: Пер. с англ. — М.: Мир, 1975. —757 с.

103. Разрушение / Ред. Г. Либовиц. — Т. 7. Разрушение неметаллов и композитных материалов. Ч. 1. Неорганические материалы (стекла,

горные породы, композиты, керамики, лед): Пер. с англ. — М.: Мир, 1976.—С. 60—128.

104. Ракишев Б.Р. Энергоемкость механического разрушения горных пород.—Алма-ата: Баспагер, 1988. — 210 с.

105. Ржевский ВВ., Новик Г .Я. Основы физики горных пород. — 4-е изд. — М.: Недра, 1984. — 359 с.

106. Сагомонян А.Я. Волны напряжений в сплошных средах. — М.: МГУ, 1985.—416 с.

107. " Седов JI.M. Механика сплошной среды. В 2 т. — М.: Наука, 1973.—Т. 1.—536 с.

108. Селиванов В.В. Механика разрушения деформируемого тела: Учеб. для втузов. — М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.—Т. 2. — 420 с.

109. Ralph Grabowski Using AutoCAD 2011. — Изд.: Autodesk Press, 2010.

110. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. — М., 1974. — 640 с.