НЕДРА

Оригинальная статья

УДК 622.1:622.831.312 © Т.К. Исабек, Н. Хуанган, А.Р. Айтпаева , Р.Т. Шаймерденова, 2020

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Уголь № 6-2020 /1131/

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-55-61

Название

Моделирование выбросоопасного состояния массива с дизъюнктивным нарушением и горной выработкой методом конечных элементов

Авторы

Исабек Т.К., доктор техн. наук, профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: tyiak@mail.ru

Хуанган Н., доктор PhD кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail:khuangan-nur@mail.ru

Айтпаева А.Р., магистр техн. наук, докторант кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: aitpajeva_araika@mail.ru

Шаймерденова Р.Т., старший преподаватель кафедры «Экономика и менеджмент предприятия» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: rima71@mail.ru

Аннотация

В статье представлено решение методом конечных элементов задачи определения состояния устойчивости или разрушения породного массива. Рассматривается геомеханическая модель горного массива между дизъюнктивным геологическим нарушением и выработкой прямоугольного сечения. Разрывное нарушение моделируется узкой щелью в плоскости сместителя угольного пласта. Представлен вариант нахождения выработки под щелью нарушения. В статье представлена принципиальная возможность использования метода конечных элементов при решении геомеханических задач. Параметры напряженно-деформированного состояния массива рассчитываются на основе теории упругости. Задача решается в плоской постановке. Исходными данными приняты размеры щели модели нарушения, размеры выработки, расстояния до нарушения. Физико-механические свойства углепородного массива приняты с учетом структурного ослабления. Численным моделированием показано, что метод позволяет оценить возможность проявления гео- и газодинамических явлений (ГДЯ) в зависимости от взаимного расположения плоскости нарушения и выработки. Использованием специального пакета для научных исследований получены графические поля напряжений. Вычисляются главные напряжения, касательные, вертикальные и горизонтальные. По численным значениям напряжений построены аппроксимирующие полиномы. На основе аппроксимирующих полиномов определены напряжения в промежуточных точках массива между выработкой и нарушением.

Ключевые слова

Геомеханическая модель, дизъюнктивное нарушение, выработка, моделирование, метод конечных элементов, устойчивость, нарушение сплошности массива.

Список литературы

1. Exploiting the Metallurgical Throughput-Recovery Relationship to Optimize Resource Value as Part of the Production Scheduling Process / А. Yap By, F. Saconi, M. Nehring et al. // Minerals Engineering. Great Britain. 2013. Р. 74-83.

2. Сергиенко А.И., Воробьев В.Д. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния выбросоопасного массива // Вісті Донецького гірничого інституту. 2015. № 1-2.

3. Елкин И.С., Гуров Д.Е., Чернакова А.Д. Моделирование динамических явлений в подготовительной выработке / Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Современные проблемы в горном деле и методы моделирования горно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых. КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 17-19 ноября 2015 г.

4. Черданцев Н.В., Черданцев С.В. Геомеханическое состояние массива горных пород, вмещающего выработку и дизъюнктивное нарушение // Вестник КузГТУ. 2014. № 6. С. 3-12.

5. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1966. 724 с.

6. Матлаб в инженерных и научных расчетах / А.Ф. Дащенко, В.Х. Кириллов, Л.В. Коломиец и др. Одесса: Астропринт, 2003. 212 с.

7. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х. В 2-х томах. М.: Диалог-МИФИ, 2006.

8. Оловянный А.Г. Механика горных пород. Моделирование разрушений. СПб, 2012. С. 278.

9. Черданцев Н.В. Устойчивость целиков около системы выработок прямоугольного поперечного сечения // Вестник КузГТУ. 2014. С. 24-30.

10. Marinos V., Marinos P., Hock E. The Geological Strength Index: Applications and Limitations // Bull. Eng. Geol. Environ. 2005. Vol. 64. Р. 55-65.

11. Issabek Т.К., Dyomin V.F., Ivadilinova D.Т. Methods for monitoring the earth surface displacement at points of small geodetic network under the underground method of coal development // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2019. N 2. P. 13-20.

12. Каталог внезапных выбросов угля и газа (Карагандинский угольный бассейн) / Ю.М. Бирюков, Р.Р. Ходжаев, Е.И. Фоминых и др. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. 163 с.

Иллюстрации

Рис. 1. Расчетная схема по методу конечных элементов

Рис. 2. Распределение напряжений в «почве» щели по ее протяженности

Рис. 3. Изменение знака величины ∆σ в кровле по главному напряжению  и по горизонтальному напряжению

Рис. 4. Изменение знака величины ∆σ в «почве» щели по главному напряжению  и по горизонтальному напряжению

Для цитирования

Моделирование выбросоопасного состояния массива с дизъюнктивным нарушением и горной выработкой методом конечных элементов / Т.К. Исабек, Н. Хуанган, А.Р. Айтпаева и др. // Уголь. 2020. № 6. С. 55-61. DOI: 10.18796/0041-5790-2020-6-55-61.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 12.01.2020

Одобрена рецензентами: 25.02.2020

Принята к публикации: 23.03.2020

РЕЦЕНЗИЯ

на статью: «Моделирование выбросоопасного состояния массива с дизъюнктивным нарушением и горной выработкой методом конечных элементов», авторы: Исабек Т.К., Хуанган Н., Айтпаева А.Р., Шаймерденова Р.Т.

Рецензент

Габайдуллин Р., канд. техн. наук, заместитель директора по науке научно-инженерного центра «ГеоМарк».

Проблема заблаговременного распознавания возможности развязывания газодинамических явлений при разработке выбросоопасных угольных пластов актуальна и по настоящее время. Ученым и инженерам известно, что геологические нарушения, особенно дизъюнктивные, в определенной степени способствуют внезапным выбросам угля и газа. Решению задач прогнозирования и предупреждения газодинамических явлений посвящены исследования и публикации многих известных ученых, занимающихся этой сложной проблемой. Тем не менее, каждое выступление в печати новых исследователей добавляет новое знание в поиске методов определения опасных по выбросам зон при проведении горных выработок.

Математическое моделирование и численное решение задач определения параметров напряженно-деформированного состояния массива, включающего дизъюнктивное нарушение и горную выработку, является наиболее перспективным и используется многими исследователями. В этом плане представленная на рецензию статья показывает новый подход в части определения опасных по выбросам зон в приконтурном массиве горной выработки.

Метод конечных элементов уже получил широкое признание при решении задач горной геомеханики. Авторами статьи показано направление развития этого теоретического метода, связав результаты расчетов главных напряжений в массиве с критериями нарушения его сплошности. В статье приведены описания этапов моделирования, включающих разработку расчетной схемы в среде выбранного пакета MATLAB, использование графических полей напряжений, получение аппроксимирующих полиномов и расчеты для определения положения опасных по выбросам зон в приконтурном массиве горной выработки. То есть, присутствует определенная методика решения поставленной задачи, хотя и не учитывается давление газа в пласте.

Приведенный пример численного моделирования с вполне реальными исходными данными физико-механических свойств массива, взаиморасположения разрывного нарушения и проводимой горной выработки показывает возможность использования предлагаемого в статье метода в практике прогнозирования гео- и газодинамических явлений.

На основании вышесказанного считаю, что статья «Моделирование выбросоопасного состояния массива с дизъюнктивным нарушением и горной выработкой методом конечных элементов» заслуживает внимания исследователей соответствующего направления и может быть опубликована в журнале «Уголь».