Геомеханический мониторинг состояния массива горных пород – это активно развивающийся раздел геомеханики, в котором невозможно выделить единую методологию и подходы для решения задач, сбора и анализа данных при разработке систем сейсмического мониторинга. При ведении горных работ изменениям подвергаются все природные факторы. В процессе отработки массива горных пород наиболее явно проявляются изменения состояния структурных неоднородностей: раскрываются имеющиеся естественные структурные неоднородности; происходят подвижки по разрывным нарушениям (разломам); образуются новые техногенные нарушения (трещины), которые сопровождаются изменением естественного напряженного состояния различных блоков массива. Разработанный метод оценки результатов мониторинга геомеханических процессов в массиве горных пород на примере Объединенного Кировского рудника КФ АО «Апатит» позволил решить одну из главных задач системы геомониторинга – спрогнозировать местоположение зон возможного возникновения опасных проявлений горного давления.
Одним из самых надежных методов оценки физико-механических свойств горных пород в результате их разрушения являются лабораторные испытания с применением жестких или сервоприводных испытательных прессов. Они позволяют получить достоверную информацию об изменении этих свойств за пределом прочности на сжатие. Представлены результаты проведенных лабораторных испытаний образцов богатой сульфидной руды, позволившие получить графики их запредельного деформирования. Испытаны как монолитные образцы, так и образцы с концентраторами напряжений в виде отверстий круглого сечения диаметром 3, 5 и 10 мм. Выявлено, что в процессе разрушения образцов модули упругости и деформации уменьшаются в 1,5-2 раза, а в зоне остаточной прочности – в 5-7 раз.
В статье в рамках динамической теории упругости представлена математическая модель воздействия сейсмовзрывных волн на массив горных пород, включающий выработку. Увеличение объемов добычи полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях с учетом влияния энергии взрыва тесно связано с анализом основных параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород, включающего выработку. Последнее приводит к необходимости определения безопасных параметров буровзрывных работ, обеспечивающих эксплуатационное состояния горной выработки. Основную опасность при взрыве заряда взрывчатого вещества вблизи действующей выработки представляет сейсмовзрывная волна, характеристики которой определяются свойствами грунта и параметрами буровзрывных работ. Определение полей напряжений и скоростей смещений в массиве горных пород требует привлечения для своего решения современного математического аппарата. Для численного решения поставленной краевой задачи методом конечных разностей авторами построена оригинальная расчетно-разностная схема. Применение метода расщепления для решения двухмерной краевой задачи сводится к решению пространственно одномерных дифференциальных уравнений. Для полученного численного алгоритма разработана эффективная вычислительная программа. Приведены численные решения модельной задачи для случая, когда форма горной выработки представлена эллипсом.
В статье рассмотрены вопросы, связанные с построением нелинейных математических моделей напряженно-деформированного состояния слоистого неоднородного массива горных пород в окрестности выработки в пологих пластах. К основной системе разрешающих дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения равновесия) и известных зависимостей Коши (формулы связи между деформациями и перемещениями) приводятся нелинейные физические соотношения между напряжениями и деформациями. Последние задаются как с помощью упругого потенциала, так и в виде степенного закона упрочнения или линейного закона упрочнения. В рамках принятых гипотез теории малых упругопластических деформаций Генки – Ильюшина разработаны алгоритмы и вычислительные комплексы решения прикладных задач геомеханики с применением численных методов: метода конечных разностей, метода конечных элементов, метода граничных элементов. Нелинейные краевые задачи на основе метода линеаризации Ньютона – Канторовича – Рафсона сводятся к итерационному процессу решения последовательности линейных краевых задач.
Из общих уравнений механики сплошной среды, теории тонких оболочек и уравнений гидравлики составлена математическая модель нефтепровода, находящегося в скальном грунте, для дальнейшего расчета его напряженно- деформированного состояния при воздействии взрывных волн. Задача сформулирована в плоской постановке, для прямого интегрирования исходной системы уравнений выбран метод конечных разностей. На контакте массива и трубопровода рассмотрены краевые условия вида «проскальзывание» и «жесткое защемление».
Многообразие горно-геологических условий залегания пологих пластов и продолжающийся рост глубин разработки месторождений полезных ископаемых приводят исследователя к необходимости анализа напряженно-деформированного состояния массивов горных пород вокруг подземных горных выработок всевозможного назначения и различного очертания.
Рассмотрена нелинейная краевая задача об исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород вокруг одиночной горизонтальной протяженной выработки. Предложен алгоритм определения основных параметров НДС горного массива, включающий комплекс вычислительных методов.
Изложены алгоритмы прогноза напряженно-деформированного состояния неоднородного слоистого физически нелинейного породного массива. Моделирование базируется на применении комплекса вычислительных методов: вариационного, дискретного продолжения по числовому параметру, квазилинеаризации нелинейных краевых задач, конечных разностей, матричной прогонки и общего итерационного процесса.
Алмаз по сравнению с другими минералами является особым драгоценным камнем, а также техническим сырьем. Коренными алмазоносными месторождениями ГРО «МИБА» являются кимберлитовые трубки. Оценка целесообразности открытой разработки их группой карьеров в современной экономической ситуации является актуальной научной задачей. Для решения данной проблемы необходимо учитывать возможности минимизации транспортных затрат для обеспечения сырьем несколько обогатительных фабрик.
Предложен метод оценки влияния взрывных работ на газопровод, основывающийся на математическом моделировании совместных колебаний трубопровода и грунта при прохождении сейсмических волн от взрывных работ. Расчет проводился в условиях плоской задачи, грунт моделировался винклеровским упругим основанием, трубопровод – геометрически нелинейной оболочкой. Численная реализация была проведена с помощью итерационного алгоритма.
Предложен численный алгоритм расчета сейсмостойкости трубопроводов при ведении взрывных работ скважинными зарядами или при воздействии природного землетрясения. В работе произведен учет независимости законов колебаний каждой из опор трубопровода.
Предложены математические модели оценки технического состояния элементов корабельной техники. Последние реализованы для различных режимов работы оборудования корабля.
Произведен анализ распределения напряжений в окрестностях выработок применительно к месторождениям угля и калийных солей. В качестве инструмента исследований использовался непрямой вариант метода граничных элементов.
Отработка запасов связана с техногенным «возмущением» специфической среды – массива горных пород. Данный объект весьма сложен по строению, различен по механическим свойствам и характеризуется широким разнообразием законов изменения его напряженно-деформированного состояния.
Многообразие горно-геологических условий залегания пологих пластов и продолжающийся рост глубин разработки месторождений полезных ископаемых приводят исследователя к необходимости анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород вокруг подземных горных выработок всевозможного назначения и различного очертания.
Был выполнен анализ влияния выработанных пространств в окрестности подготовительных выработок на механическое состояние массива горных пород. В качестве средства численного моделирования был выбран прямой вариант метода граничных элементов.
С развитием вычислительной техники в математическом моделировании наряду с традиционными аналитическими методами все шире применяются численные методы. Среди численных методов решения наиболее широко известны метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод граничных элементов, метод граничных интегральных уравнений и другие методы, получившие большое распространение в инженерной и научной среде. К числу наиболее эффективных численных методов относится МКР, широко используемый при решении важных прикладных задач геомеханики.
При ведении горных работ в массиве горных пород происходит нарушение естественного напряженно-деформированного состояния. Для расчета параметров напряженно-деформированного состояния в массиве горных пород могут применяться различные эффективные численные методы: конечных разностей, конечных элементов и граничных элементов. Было рассмотрено влияние технологических схем отработки запасов на напряженно-деформированное состояние массива соляных пород Старобинского месторождения на затухающей стадии ведения горных работ.
Работа посвящена обоснованию применения удлиненных кумулятивных зарядов на открытых и подземных горных работах. Уточнена аналитическая зависимость длины трещины от геометрических параметров заряда, шпура и физико-механических свойств горных пород.
При ведении горных работ в массиве горных пород происходит нарушение естественного напряженно-деформированного состояния (НДС). Для расчета параметров НДС в массиве горных пород могут применяться эффективные численные методы: метод конечных разностей, метод конечных элементов и метод граничных элементов. Реализация последнего и была рассмотрена в работе. Произведен анализ решения задачи о распределении напряжений в окрестности горизонтальных выработок различной формы поперечного сечения, пройденных в упругом, однородном и изотропном массиве горных пород. При решении данной задачи были использованы два варианта метода граничных элементов: непрямой метод фиктивных нагрузок и прямой метод граничных интегральных уравнений.
Рассмотрены вопросы, связанные с построением математической модели оптимизации параметров удлинения кумулятивных зарядов на основе критериев подобия. С помощью численного метода случайного поиска получены необходимые рациональные параметры для проектирования рациональных конструкций удлиненных кумулятивных зарядов.
Отработка пластовых месторождений связана с техногенным «возмущением» специфической среды – массива горных пород. Данный объект весьма сложен по строению, различен по механическим свойствам и характеризуется широким разнообразием законов изменения его напряженно-деформированного состояния (НДС). Очевидно, что изучение параметров механических процессов в таких средах методически не может быть предопределено использованием данных только натурных экспериментов, либо данных только лабораторных исследований или же результатов аналитических расчетов.
Проектирование и строительство подземных горных выработок, добыча полезных ископаемых, сооружение подземных объектов на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях тесно связаны с анализом напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород. Для определения НДС массива в горной геомеханике используют данные инженерной геологии и геофизики, применяются результаты экспериментальных исследований, а также различные аналитические и численные методы механики сплошных (дискретных) сред.
В нетронутом массиве горные породы находятся в состоянии напряженного равновесия. При ведении очистных работ это равновесие нарушается. Недостаточная изученность характера проявления горного давления в зоне очистных выработок обусловила появление ряда гипотез. Исследование геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород, тесно связано с изучением процессов деформирования и смещения горных пород над рабочим и выработанном пространствами. Поскольку проведение реальных крупномасштабных натурных экспериментов связано с рядом трудностей, решение этих задач ранее разработанными и новыми методами, обладающими большой универсальностью и информативностью, является по-прежнему актуальной задачей.
Рассматривается становление механики как науки в ее историческом развитии до начала XX в. Особенность исторического развития механики обусловлена развитием техники. В начальный период (конец XVIII – начало XIX в.) техника опережала развитие механики, а затем с развитием дифференциального и интегрального исчислений механика начинает опережать технику и обеспечивает ее дальнейшее развитие. Приводятся этапы развития техники и механики, при этом отмечаются направления развития отдельных разделов механики. В связи с возникающими потребностями горного производства появляются и совершенствуются как простые, так и сложные машины (насосы, подъемные установки, воздуходувные машины и т.д.). С их появлением возникает необходимость их обслуживания и ремонта. Особое внимание уделено вкладу российских ученых и изобретателей в развитие техники и механики.
Рассмотрены вопросы становления различных обществ, их влияние на развитие фундаментальных и естественно-научных дисциплин. Достаточно подробно рассматриваются некоторые аспекты развития такой фундаментальной науки, как математика с возникновения до настоящего времени.
Разработан алгоритм (численно-аналитический) решения нелинейных задач геомеханики, основанный на комбинации вариационного метода Власова, метода линеаризации Ньютона – Канторовича и общего итерационного процесса. Физическая нелинейность процесса деформирования материала горных пород рассматривается в рамках основных гипотез малых упругопластических деформаций Генки – Ильюшина.
Рассматривается совместное воздействие статического и динамического полей напряжений на выработки и моделируются зоны растягивающих напряжений в приконтурных областях горных выработок.
Приведена оценка влияния различных факторов на состояние краевой зоны угольного пласта впереди очистного забоя при разработке пологих пластов. Все многообразие факторов можно разделить на горно-геологические и горно-технические. Из горно-геологических наибольшее влияние на деформирование угля в краевой зоне оказывают такие факторы, как мощность, глубина разработки, угол падения, наличие прослойков, из горно-технических – длина лавы, скорость ее подвигания, система разработки, тип и силовая характеристика крепи, способ управления горным давлением.
Приведен алгоритм выбора математической модели массива горных пород. В качестве метода численного решения применяется метод конечных разностей. Рассмотрен случай учета процесса нелинейного деформирования горных пород.
Отработка пластов современными угольными шахтами ведется на больших глубинах, характеризующихся высокой природной газоносностью массива, что повышает интенсивность газовыделения при высоких скоростях подвигания очистных забоев. Дан краткий обзор опыта работы угольных шахт на больших глубинах. Предложены основные направления совершенствования технологических схем выемочных участков .
Получена математическая модель взаимодействия многослойного массива с тонким угольным пластом, включающая исходные разрешающие дифференциальные уравнения и граничные условия. Разработанный алгоритм численного решения реализован в вычислительной программе, в которой входными параметрами являются геологические характеристики основной и непосредственной кровли, коэффициент жесткости угольного пласта в массиве и закон его изменения в краевой зоне, коэффициент жесткости пород почвы, коэффициент жесткости материала закладки, мощность пласта и предельные деформации кровли. Соответственно выходными параметрами вычислительной программы являются: реакция угольного пласта на действие нагрузки от вышележащего массива (опорное давление), вертикальные и угловые перемещения слоев кровли над угольным пластом, вертикальные и угловые перемещения кровли над выработанным пространством, предельный пролет кровли.
Предложены конечно-разностные и численно-аналитические методы решения динамических и упруго- пластических задач геомеханики. С помощью метода конечных разностей и на основе методических принципов математического моделирования физических процессов определены эпюры компонент тензора, характеризующего динамические поля напряжений в горных породах вокруг выработки сводчатого типа при косом воздействии на нее волны напряжений. С помощью численно-аналитического метода сконструирован итерационный процесс, позволяющий рассчитывать компоненты тензора напряжений и скоростей пластического течения горных пород вокруг выработок на больших глубинах. Достоверность и обоснованность метода подтверждена сопоставлением полученных расчетов с результатами решений, найденных другими авторами, и экспериментальными данными.
Проектирование горных выработок, добыча полезных ископаемых, сооружение подземных объектов различного назначения на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях тесно связано с задачей определения напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород ...
