автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка информационной системы мониторинга в вертикальных шахтных стволах на основе решения обратных задач механики подземных сооружений

,, ел

. "I

О ' . л и "

На правах рукописи

САВИН Игорь Ильич

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ . МОНИТОРИНГА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛАХ НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ МЕХАНИКИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.15.04 - Строительство шахт и подземных сооружений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТУЛА - 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, докт. техн. наук, проф. Булычев Н. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. М. Н. Шуплик,

докт. техн. наук, проф. Г. А. Катков, . докт. техн. наук, проф. В. Н. Каретников,

Ведущее предприятие - А. О. «Ростовшахтострой»

Защита состоится « Я »декабря 1998 г. в (0® на заседании диссертационного совета Д 063.47.01 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный корпус 9, ауд, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « ^ » А/СиЫёЛ? 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного со* д.т.н., проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, Работы по проходке вертикальных шахтных стволов относятся к наиболее сложным и трудоемким работам при строительстве шахт и занимают 40 - 50 % общей продолжительности строительства и до 15 % общих капитальных затрат. Ствол является главной вскрывающей выработкой-, нарушение функционирования которой ведет к остановке всего горного предприятия. Срок службы ствола зависит от правильного выбора конструкция крепи, обладающей достаточной несущей способностью, поэтому при проектировании к расчету крепи предъявляются повышенные, требования. Современные методы расчета крепи, базирующиеся на принципах контактного взаимодействия крепи с линейно-деформируемым массивом пород, предполагают идеализацию объекта в виде расчетной схемы с использованием статистически-изменчивых данных о нагрузках и воздействиях, условиях строительства и эксплуатации, свойствах материалов и пород и др. величинах, что приводит к необходимости анализа вероятностной систему «крепь-массив». При строительстве стволов в сложных горно-геологических условиях и увеличении глубины их проведения из-за недостаточности сведений о начальном поле напряжений й закономерностях взаимодействия крепи с массивом пород возникают значительные осложнения. Примером- может послужить разрушение крепи ствола шахты «Центральная» Донского ГОКа. Отсюда - актуальность осуществления в вертикальных стволах, сооружаемых в сложных условиях и.на больших глубинах, мониторинга, представляющего собой систематические натурные измерения напряжений на контакте крепи с массивом пород (нагрузок на крепь), напряжений иди деформаций в элементах крепи, смещений или конвергенции точек крепи с. целью определения фактического напряженно-

деформированного состояния и уточнения надежности и ресурса крепи ствола.

Трудоемкость натурных измерений определяет актуальность .применения информационных подходов для обоснования необходимости осуществления измерений (мониторинга), 'определения наиболее информативных систем измерений и для оценки эффективности используемых систем.

Актуальной является разработка и совершенствование экспериментально-аналитических методов расчета крепи, которые дают возможность получения Максимальной научной информации из результатов измерений и позволяют использовать результаты непосредственно для проектирования и расчета крепи стволов.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке РФФИ (РФФИ - ГФЕН Китая № 96-05-0057с) и Минобразования РФ (№ 35601 Гр/СПГ-10). -

Цель работы - разработка информационной системы мониторинга для оценки ожидаемого уровня надежности и несущей способности крепи вертикальных шахтных стволов на основе решения обратных задач механики подземных сооружений..

Основная идея работы заключается в' использовании методов теории информации и теории надежности для планирования натурных измерений компонентов напряженно-деформированного состояния крепи ствола и получения максимума информации при их интерпретации. ' ,

Методы исследования. Работа является теоретической, выполнена с использованием методов математической теорий упругости, теории информации, теории вероятностей, методов математической статистики, программирования. '

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их понизил:

- получено аналитическое решение плоской контактной задачи теории упругости для многослойного колыш, подкрепляющего отверстие в имеющей начальное напряженное состояние линейно-деформируемой однородной изотропной среде, в обратной постаиоп-ке, состоящее в определении компонентов начальных напряжений, при которых расчетная эпюра измеряемых величин наилучшим образом приближается к измеренной в смысле наименьшего квадратичного отклонения; ■

- на основе решения обратной задачи разработаны алгоритмы и компьютерные программы обработки результатов измерения нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом или на произвольном контакте слоев многослойной крепи, нормальных тангенциальных напряжений или деформаций в элементах крегш, смещений (конвергенции) точек внутреннего контура поперечного сечения произвольного слоя многослойной крепи, а также комплексных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного Состояния крепй, выполненных в произвольных точках поперечного сечения слоев многослойной крепи;

- предложены и обоснованы информационные критерии оценки необходимости и достаточности проведения натурных измерений для исследования напряженно-деформированного состояния крепи, а также критерий выбора наиболее информативных систем инструментальных наблюдений;

- разработаны методы оценки необходимого количества пунктов измерений в поперечном сечении ствола для обеспечения заданной точности определений оценок искомых параметров и установления и>' оптимального расположения с целью получения максимальной ин-

формации из результатов измерения.

Достоверность ¡тучных положений, выводов л рекомендаций - обеспечивается:

* - применением строгих аналитических методов, имеющих контроль правильности решений;

- точным соответствием результатов расчета при расчете одной и той же конструкции крепи, рассмотренной в совокупности всех условий ее работы путем решения как прямой, так и обратной задачи,

Научное значешк - иссергационной работы состоит в разработке информационных критериев, позволяющих установить необходимость и достаточность натурных измерений 'и выбрать наиболее информа-тивные-системы инструментальных Наблюдений, в разработке метода обработки экспериментальных данных, дающих возможность извлечения максимальной информации из результатов натурных измерений, в получении решения плоской контактной задачи теории упругости »• обратной постановке и разработке на его основе экспериментально-аналитического метода расчета многослойной круглой крепи вертикальных стволов.

■ Практическое значение заключается в разработке метода оперативной обработки результатов натурных измерений в процессе мониторинга и экспериментально-аналитического метода и программы для ЭВМ расчета многослойной круглой крепи вертикальных стволов.

Предлагаемая информационная система мониторинга предназначена для оценки ожидаемого уровня надежности крепи вертикальных стволов и может быть использована для оценки риска зксолурта-. цин стволов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы включены в отраслевую «Инструкцию по расчету крепи вертикальных стволов рудных • шахт в. тектонически активных районах

(применительно к условиям Кимперспйскик месторождений хромпто-пых руд Донского ГОКа)», утвержденную Мничерметом СССР.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IX Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (г. Новосибирск. ¡984 г,); на V семина: ре «Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород» (г. Новосибирск, 1985 г.); на отраслевой научно-технической конференции «Пути дальнейшей интенсификации и повышения эффективности производства калийных удобрений» (г. Пермь, 1985); на X всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (г. Кемерово, 1986 г.); на I Всесоюзном семинаре «Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья» (г. Фрунзе, 1987); на II Международном конгрессе по измерению напряжений в массиве пород (г. Кобе, Япония, 1987 г.); на Всемирном горном конгрессе (г. Стокгольм, Швеция, 1987 г., г. Катовице, Польша, 1991 г.); на Международной конференции «Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики» (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), на заседаниях Секции расчета и проектирования конструкций Российской Тоннельной Ассоциации (г. Тула, 1994, 1996, 1997 гг.), на I региональной конференции «Проблемы разработки месторождений полезных' ископаемых Центрального региона Российской Федерации» (г. Тула, 1998 г.), на заседании Круглого стола проводимого в рамках Недели горняка 98 (г. Москва, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 268 страницах машинописного текста, 59 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 235 наименований. . ' ~

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам проектирования и расчета крени стволов .посвящена обширная литература. Обобщающий материал содержится в монографиях Н. С. Булычева и X; И. Абрамсона, Ю. 3. Заславского и др., А. М. Козела и др., Г. А. Крупсшшкова и др., К. В. Руппенейш и других авторов.

Методы и результаты натурных исследований нагрузок на крепь вертикальных стволов изложены в работах А. А. Ардшцвили, Н. С. Булычева, В. В, Галахова, А. И. Димава, В. Ф. Дробышева, А. М. Козела, Э. М. Коставы, Г. А.Крупешшкова, Б. В. Матвеева, 10. С. Обручева, Ю. Н. Огородникоаа, В. Н. Очнева, Н. А. Филатова, А. М. Янчура и др. .

В работах В. Е. Боликова, Н. П. Влоха, А. В. Зубкова, Д. М. Казикаева, А. М. Решетняк, С. В. Сер1еева, Н. А. Филатова и др. изложены результаты измерений напряжений а деформаций в элементах крепи.

Большую роль в теории расчета крепи сыграли результаты исследований нагрузок на крепь вертикальных стволов, выполненные во ВШ1МИ под руководством Г. А. Крупешшкова. Полученные результаты легли в основу «Временной инструкции по расчету крепи верти-0 кальных шахтных стволов вне зоны существенного влияния очистных работ применительно к условиям типа Донбасса» (ВНИМИ, 1964 г.), основные положения которой были включены в СНиП. Авторы этой инструкции: Н. С. Булычев, А. М. Козел, Г. А. Крупенников, Н. А. Филатов фактически предложили первый экспериментально-аналитический мегод расчета крепи стволов, который включал в себя статистическую обработку результатов измерений и расчет крепи по известным (измеренным) нормальным радиальным напряжениям на контакте

крепи с массивом пород,

Это направление получило существенное развитие в работах А. Внхура, В. 10. Изаксона, В. А. Лыткнна, В. В. Матвиенко, К. В. Руппенейта, В. В. Чеботаеиа, В. И. Шейнина и др.

Развитие теории расчета конструкции подземных сооружений привело к появлению расчетной схемы контактного взаимодействия крепи с массивом пород. Общий метод расчета многослойной крепи • разработан Н.С.Булычевым и А. Г.Оловянным. Применительно к крепи вертикальных стволов данное направление в области расчет многослойных конструкций получило дальнейшее развитие в работах М. Н. Донец, С. И. Копылова, В. И. Нечаева, В. Н. Очнева, X. Э. Пу-эрто, С. Ф. Чендевц и др.

Н. Н. Фотиевой разработан эксперимеиталыю-аналитическнй метод расчета монолитной крепи выработки произвольной формы поперечного сечения с использованием результатов измерений, нормальных напряжений на контакте крепи с массивом пород.

Применительно к многослойной крепи выработок круглого поперечного сечения известны предложения Н. К. Эвонарева и А. И. Коробки. '

Вероятностные методы при расчетах строительных конструкций стали применяться в 30 - 40-х годах и на сегодняшний день не получили широкого распространения. Наиболее существенный вклад в раз- -витке вероятностных методов расчета применительно к задачам строительной механики был сделан В. В. Болотиным, М. Майером, А. Р. Ржанициньш, Н. С. Стрелецким и др.

Применительно к расчету крепи вертикальных шахтных стволов эти методы были использованы в работах В. Е. Вдовина, В. В. Матвиенко и др.

А. С. Вознесенский и В. С. Ямщикоэ предложили учитывать ста-

тисгическую неопределенность состояния массива пород вокруг горных выработок с использованием понятия информационной энтропии.

Недостаточная изученность закономерностей формирования нагрузок на крепь вертикальных шахтных стволов, сооружаемых в сл' лных горно-геологических условиях, объясняет необходимость применения натурных измерений компонентов наиряженнотдеформи-рованного состояния крепи стволов. В связи с этим важным является выбор наиболее информативных систем измерения.

Для решения отмеченных проблем в работе предложено применение в вертикальных шахтных стволах, сооружаемых в наиболее сложных условиях, мониторинга, Жак части технологии, с учетом информационного обоснования проведения натурных измерений.

Основные проблемы мониторинга связаны с разработкой системы и методов обработки результатов инструментальных наблюдений, позволяющих извлечь максимум научной информации из ограниченных данных натурных измерений.

. Анализ ни '••рмативности натурных измерений в стволе

Условие прочности крепи представляется в виде

Ш>й, (1)

где Л'5 - несущая способность крепи; ¿5 - начальные расчетные напряжения в расчетном сечении крепи. Величины ЛВ и (5 являются случайными величинами, имеющими нормальный закон распределения. '

Несущая способность крепи определяется предельной, величиной наибольших расчетных начальных напряжений при заданном отношении главных начальных напряжений.

При выполнении условия (1) запас прочности

. S = NS - Q. (2)

Таким образом, запас прочности является случайной величиной, имеющей нормальный закон распределения. Надежность крепи характеризуется вероятностью безотказной работы крепи P(s) = /^.S1 >о) с характеристикой безопасности А

P(s) = 0,5+Ф(А), • (3)

где Ф(д) - значение нормированной фуНкции'Лапласа.

Мера статистической неопределенности состояния крепи ствола характеризуется информационной энтропией

#(*) = -/^)log2 ¡i*)- I\d)\ogl Щ), (4)

допустимая величина которой определяется заданным уровнем надежности Pp(s)

ВД = - P/j)logj ф) - P„{d)log2 />,(«/), (5)

где Pp(d) - допустимая вероятность разрушения крепи,

. Величина Pp(d) принимается исходя из класса капитальности

выработки, либо определяется через оптимальную характеристику безопасности с учетом возможного экономического ущерба в результате разрушения крепи ствола. •

Для снижения величины информационной энтропии состояния крепи до требуемого уровня, необходимо поступление информации, которое может быть получено в результате проведения натурных измерений. Необходимость постановки и проведения измерений определяется информационным критерием

• «

Информация, получаемая в результате осуществления-инструментальных наблюдений, снижает энтропию состояния крепи на вели-

чипу

/, = я(5)-ад. • (7)

Эффективность натурных измерений определяется информационным критерием

Ч»)

где Я, (.г) - средняя условная энтропия, определяемая через частные условные энтропии, соответствующие различным исходам результатов измерения - .

ы

Здесь п - количество исходов; Р{х,) - полная вероятность / - того исхода результата измерения; Яч.(л) - частная условная энтропия

(Ю)

и /3(г/1Л;) " условные вероятности безотказной работы и разрушения крепи, вычисляемые по формулам Байеса.

Для достижения заданного уровня информационной энтропии необходимо выполнение условия Ег >. N. *

Выбор системы измерений

Мониторинг в вертикальных шахтных стволах является составной частью технологии строительства стволов, включающей в;себя систему измерений проявлений взаимодействия крепи с массивом поррд В шпурных условиях. ;

В -задачи изучения взаимодействия крепи с массивом горных пород входят измерения: ■ '

- нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом (нагрузок на крепь) или нл произвольном контакте слоев многослойной крепи;

- нормальных ташешшальных напряжений или деформаций в элементах крепи;

- перемещений (конвергенции) произвольных точек поперечного сечения крепи.

Схема измерительной станции в стволе представлена на рис. 1.

5

Рис. 1. Схема измерительной станции в стволе: а - схема расположения пунктов измерений в поперечном сечении ствола; б - схема расположения измерительного оборудования в пункте: 1 - измерительный пункт; 2 - датчик тангенциальных деформаций; 3 - датчик осевых деформаций; 4 - датчик радиальных деформаций; 5 - датчики давления; 6 - реперы для измерения конвергенции точек внутреннего контура сечения крепи

Выбор измеряемого параметра зависит только от состояния технического уровня аппаратуры измерений. На сегодняшний день достаточно высокий уровень достигнут в технике измерения напряжений

или деформаций с помощью струнных тензометрических датчиков, которые позволяют надежно осуществлять долговременный контроль над напряженно-деформированным состоянием крепи вертикальных стволов в сложных условиях их строительства и эксплуатации.

Различные натурные эксперименты дают значения оценок sk, которые отличаются как по величине, так и по близости их к истинным значениям sk. Для сравнения экспериментов 3, в данной работе' ис-. пользован критерий, основанный на сравнении определителей дисперсионных матриц

1^3, )| <|,0(Э4. ' (11)

Для рассматриваемых в диссертации проблем особый интерес представляют две задачи:

- задача отыскания оптимального располЪжения пунктов измерения при заданном их количестве;

Ч1' „

- задача отыскания необходимого числа пунктов для достижения заданной точности оценок искомых параметров.

При заданном количестве пунктов измерения N вводится функция Л(Э), учитывающая затраты на проведение экспериментальных работ, и задача отыскания оптимального расположения измерительных пунктов сводится к решению экстремальной задача

х= arg шах|м(е(Л'))[) .(12)

где A/(s(JV)) - информационная матрица Фишера.

В качестве примера рассмотрено определение оптимального расположения пунктов измерений, характеризующихся угловыми координатами 8,, при общем количестве пунктов ратшом 6.

Математическое ожидание определяемого компонента на-

пряженно-деформированного состояния крепи 5при условии, что крн-

тролируемые параметры приняли значение х = (6|,02,...,0„) можно представить в виде

£(л-|х) = а, + агсоз20 + д3ып20, 0<0<2л. Информационная матрица

ь

¡=1

6 6

А/(е(Л')) = £(1,соь201,5т20,)(1,соз29„5т29()Гг=

6 £«»26, £ЯП20,

1=1 м

6 6 6

%сав2в, £со*220, 0,5£<;ш40,

ь 6.6

Решением (12) являет-

ся

Рис. 2. Схема оптимального расположения пунктов измерения

л л к х = ( а,а + —,« + --,а + ~, 0 3 2

2тс ■ 5 к

а + Т'а+Т

или любая произвольная комбинация расположения замерных пунктов, полученных симметричным отражением их относительно оси ствола (рис. 2), а также

( ■ п 2п х - ^ а, а + —, а + —, а + я,

а + т,а + -

В табл. I приведены угловые координаты оптимального распо-

ложения замерных пунктов в зависимости от количества пунктов (при сх=0).

Таблица 1.

Количество пактов Угловые координаты расположения пунктов измерения, град

3 0; 60; 120*

4 . 0; 45; 90; 135 *

5 0; 36; 72; 108; 144*

6 0; 30; 60; 90; 120; 150* 0; 60; 120; 180; 240; 300

8 0; 22,5; 45; 67,5; 90; 112,5; 135; 157,5* 0; 45; 90; 135; 180; 225; 270; 315

10 0; 18; 36; 54; 72; 90; 108; 126; 144; 162* 0; 36; 72; 108; 144; 180; 216; 252; 288; 234

Примечание: символом (*) помечены угловые координаты точек, значения которых могут быть изменены на 180° без изменения значения информационной матрицы.

В том случае, когда задана точность определения оценок, то есть задана матрица £>|е(А')]= £>„, задача отыскания необходимого числа пунктов для достижения заданной точности оценок искомых параметров N сводится к итеративной процедуре, состоящей в последовательном поиске минимумов гшп^е^У))) таких, чтобы выполнялось

условие

. аЦ ЖъШУИ- < . (13)

где б„ - наперед заданное число, определяющее заданную точность.

Для функции 2Г(.?]х), заданной в предыдущем примере для струнных тензометрических дагчиков1 решение задачи (13) при с,, = 0,01 даег результат N= 7 при

( п 2тс Зтс 4тс 5тс х = + у ;а + —;а + —;а +—;а +—;а + —j.

Математическая рбработка результатов натурных измерений

Разработан метод обработки результатов натурных измерений на основе решения обратных задач механики подземных сооружений. Метод основан на аналитическом решении плоской контактной задачи теории упругости для среды, моделирующей массив пород, ослабленной круглым отверстием, подкрепленным неоднородным (многослойным)-кольцом, моделирующем крепь, имеющей начальные напряжения, обусловленные действием гравитационных или тектонических сил. Задача ставится как обратная и состоит в определении таких характеристик начального поля напряжений (максимального начального расчетного, напряжения a*JVr, отношения главных начальных напряжений \ = N2/N, и угла наклона главных осей а), при которых расчетная эпюра контактных напряжений, деформаций или смещений наилучшим образом приближается к измеренной в смысле наименьшего квадратичного отклонения. Таким образом, применение метода позволяет выделить из данных натурных измерений главные, существенные особенности работы крепи, минуя случайные, второсте-зенные данные, обусловленные конкретньми условиями измерений. Эбщий путь решения обратных задач для определения начального напряженного состояния массива пород предложен С. Н. Поповым.

При разработке метода обработки результатов измерений ис-

пользовала математическая модель напряженно-деформированногс состояния многослойной крепи ствола (метод коэффициентов переда чи нагрузок Н. С. Булычева) с использованием схемы расчета по экви валентным напряжениям.

Применение расчетной схемы по эквивалентным наиряжениян позволяет представить компоненты напряжений и деформаций в слоя; многослойной крепи ствола с ломошью универсальной записи

где РЦЧ н р.у - равномерная н неравномерная составляющие эквива лентных напряжений, МПа.

Коэффициенты аи и а2 определяются в зависимости от рас смагриааемого вида компонентов напряженно-деформированного со стояния.

Дли коэффициентов я0 и а1 получены следующие выражения.

Если измерены нормальные радиальные напряжения на контаь те крепи с массивом пород (нагрузки на крепь)

где - коэффициенты передачи эквивалентных нагрузок черс

бесконечный слой, моделирующий массив пород.

Е<;ли измерены нормальные радиальные напряжения,на прои. вольном Атом контакте слоев многослойной крепи, то

л = л„ С +- «2 сек 2(0 - а),

(14

(15

(16

= Ы

п

'ч>Н)- *»('»)' АП(,Ч1) кгцм) '- коэффициенты перс-дачи рати-

лльных напряжений через (i+ l)-ii слой крепи.

Если измерены нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре произвольного /-того слоя крепи, ю

"o^'ViAr'Sft)1-

а1 - w2(M)'\i) ~ г2(,-.!)»:(,) - wmnm + • 7>

Если измерены средние значения нормальных тангенциальных напряжений в произвольном /-той слое крепи, то

= -o^Vo К) -".'о)-г2(,ч>,("зд -"адЬ

где коэффициенты m^.m^,пг[(!)1 т|(о>"|(о'•"•'"«(') опРеДеля,отся чеРез

геометрические характериетики слоев крепи.

Если измерены нормальные тангенциальные напряжения в кольцевой арматуре, то

' с''1 •

(i)ч.';/ '

foe Gu)tfd = - + - приведенный модуль сдвига материа-

ла /'-того слоя крепи; G^ и G^ - модули сдвига материала арматуры и заполнителя соответственно; - степень армирования.

Если измерены .радиальные перемещения внутреннего контура' произвольного слоя крепи, то

Дп ='

♦«Шг1/- ■

^ЦгК.и^/) + + ащ)~л%){аМ + Н)) + (20)

ЛпНп

где коэффициенты определяются через геомет-

рические и деформационные характеристики слоев крепи.

Если в результате проведения натурного эксперимента получены К значений произвольного компонента напряженно-деформированного состояния крепи ^ в точках крепи с угловыми координатами 6А (к = 1, 2,..., К), составляется переопределенная система уравнений вида

(21)

где

дц «2СОЙ2()1 51П29, а0 Й2.СОЗ202 а38т202

а2 со5 20 А. й2 8ш20А^

V ' . 1Г

№ V ► — « /Г' со% 2а

А

Е2 V II

л-;

Переопределенная система уравнений (21) сводится к симметричной относительно диагонали системе трех уравнений вида

' Ж *}={£>}, ' • (22)

I де

Ка\ К ы К ы К

[С]= к ава2^со52Вк м К я* £ сет129*. /ы а

К К *« 1 К м к аг]Гзк 51)120, ■ы

Из решения системы уравнений (22) определяются искомые характеристики расчетного начального поля напряжении в массиве ч1-род:

- угол наклона главных осей к вертикали и горизонтали

~ 1 х а =

2 %

(23)

- величина наибольшего расчетного начального напряжения в массиве пород

2к0соз2а

(24)

• отношение главных начальных напряжений __ (л;к0соз2а-2лг)

' (л;к0соз2а + 2л2)

(25)

Если при проведении в стволе комплексных исследований получены К значений произвольного компонента напряженно-деформированного состояния с'к] в слое крепи и Ь значений произвольного компонента сп в /гм слое крепи, составляется переопределенная система уравнений вида

{Е}={С}-[/Ш]х{А'}, (26)

где

(Е} =

'еи' "«и «12 4

е2| «21 «22 «23 # С21

¿и ¿'12 «ХЗ ¿13 V

£ 12 Хг Ю-«- СК) с'п

«и ¿>22 Л"з

Л| ^2 си.

лл2 = а2 СО$26а., йи=я2яп2в(1>

А> = А)>

/=1,2.....£

А: = 1. 2;..., ЛГ; Ьп = ¿2соб29;, ¿>,3 = ¿2 511126,,

е*, и с,2 - ошибки измерений соответствующих компонентов; н 0, - угловые координаты точек измерения; величины ай, аг, Ьа и Ьг описываются формулами (15) - (20) в завися мости вида измеряемого компонента.

Система уравнений (26) при помощи метода наименьших квад ратов приводится к системе трех линейных уравнений относительно грех неизвестных

[£>]х{А'ИГ}? (27)

где . '

№

¿и ¿13

¿¡I ¿22 ¿23 ¿31 ¿52 ¿33 J

¿и = + ¿Ь,г; = ¿21 = а|)а2£соз28к РОБ20( ;

А £ * I

(113 = </31 = ип204 + ; = д2^соз220^ +г>г2£соБ220,;

ы

К I. А I

(¿и = (1п = +0А!^яп40,; ==<;2£ят229,. + 20,;

И--1 /»I И=| (=1

Л I.

А--1 (»1

А' X,

я,^Сд,со520А. + Ь2]ГС;*, соз20Л. ,

(=1 . 1=1

А' ¿

и I м )

Из решения системы (27) по формулам (23) - (25) определяются неизвестные характеристики расчетного начального поля напряжений в массиве пород.

Аналогичный подход используется при совместной обработке результатов измерений трех и более компонентов напряженно-деформированного состояния крепи.

Результаты диссертационной работы использованы при расчете монолитной бетонной крепи клетевого ствола рудника «Центральный» Донского ГОКа Кимперсайского месторождения хромитовых руд и определении несущей способности крепи по результатам измерений нормальных тангенциальных напряжений, полученным ИГД Минчермета СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения информационного обоснования и обратного анализа результатов натурных измерений в вертикальных шахтных стволах, совокупность которых можно квалифицировать как новое достижение в развитии научного направления механики подземных сооружений,

ж

Основные научные и. практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлен информационный критерий, позволяющий обосновать необходимость проведения инструментальных наблюдений напряженно-деформированного состояния крепи вертикальных стволов, сооружаемых в. сложных горно-геологических условиях. Полученный критерий базируется на условии получения необходимого количества информации для устранения существующей информационной энтропии .состояния крепи. Количество информации определяется разностью между априорной и допустимоц информационными энтро-ниями состояния крепи.

2. Предложен и обоснован информационный критерий, позволяющий определить эффективность экспериментальных исследовании напряженно-деформированного состояния крепи. С использованием полученного критерия разработана методика оценки различных систем инструментальных наблюдений с помощью средств измерении для одного, двух или трех. . компонентой напряженно-деформированного состояния крепи,

3. Разработан метод определения оптимальной величины коэффициента запаса и допустимой вероятности разрушения крепи с учетом стоимости сооружения ствола и возможного ущерба в результате разрушения крепи (с учетом чисто экономической ответственйости).

4. Разработан пакет прикладных программ для ЭВМ определения информационных критериев необходимости и эффективности проведения натурных исследований в стволе. В результате математического моделирования с применением ЭВМ подучены аналитические зависимости, позволяющие определить область .возможного применения различных систем инструментальных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием крепи и установить необходимость и

эффективность инструментальных наблюдении в зависимости от априорной вероятности разрушения крепи.

5. Сформулированы основные принципы формирования системы инструментальных наблюдений в вертикальных стволах. Дан анализ существующих аппаратуры и методов инструментальных наблюдений и контроля за напряженно-деформированным состоянием конструкций подземных сооружений. Установлены необходимое количество точек измерения для обеспечения заданной точности определения оценок искомых параметров и оптимальное их расположение в поперечном сечении ствола с целью получения максимальной информации ш результатов наблюдении.

6. Получено аналитическое решение плоской контактной задачи теории упругости для среды, моделирующей массив пород, ослабленной круглым отверстием, подкрепленным неоднородным (многослойным) кольцом,, моделирующим крепь, имеющей начальные напряжения, обусловленные действием гравитационных или тектонических сил. Задача ставится как обратная и состоит в определении таких характеристик начального поля напряжений (максимального начального расчетного напряжения а ""Л',, отношения главных начальных напряжений Мт/А^ и угла наклона главных осей а), при которых расчетная эпюра контактных напряжений, деформаций или смещений наилучшим образом приближается к измеренной в смысле наименьшего квадратичного отклонения.

7. Разработан метод обработки результатов натурных измерений, позволяющий производить обработку следующих компонентов напряженно-деформированного состояния, измеренных в монолитной или сборно-монолитной круглой крепи вертикальных стволов шахт:

- нормальных радиальных напряжений на контакте крепй с массивом пород (нагрузок на крепь) или на любом произвольном контак-

те слоев многослойной крепи;

- нормальных тангенциальных.напряжений или деформаций, измеренных в произвольных элементах крепи;

- радиальных перемещений (конвергенции) точек внутреннего контура произвольного слоя многослойной крепи.

8.' Разработан метод обработки результатов натурных измерении. позволяющий производить совместную обработку результатов комплексных натурных исследований компонентов напряженно-деформированного состояния, измеренных в монолитной или сборног монолитной круглой крепи вертикальных стволов шахт.

9. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы на алгоритмическом языке Паскаль обработки результатов измерения нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом или на произвольном контакте слоев многослойной крепи, нормальных тангенциальных напряжений или деформаций в элементах крепи, смещений (конвергенции) точек внутреннего контура произвольного слоя многослойной крепи, а также комплексных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния крепи, выполненных в произвольных точках слоев многослойной крепи,

10. С применением предлагаемых методов и программ для обработки результатов натурных измерений выполнены расчеты.монолитной бетонной й комбинированной крепи вертикальных стволов по данным измерений нагрузок на крепь и напряжений в элементах крепи. Установлены значения коэффициентов неравномерности распределения напряжений в нетронутом массиве пород, величины расчетных начальных напряжений, а также ориентация начальных напряжений для различных горн.о-грологических условий сооружения стволов.

П. Предложенный метод обработки результатов натурных"измерений был применен при интерпретации нормальных тангенциаль-

ных напряжений, измеренных в монолитной бетонной крепи клетевого ствола рудника «Центральный» Донского ГОКа, и определении несущей способности крепи. Результаты диссертационной работы включены в отраслевую «Инструкцию по расчету крепи вертикальных стио- . лов рудных шахт в тектонически активных районах (применительно к условиям Кимперсайских месторождений хромитовых руд Донского ГОКа)», утвержденную Минчермегом СССР.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Савин И. И. Информационное обоснование необходимости использования результатов измерения перемещений при мониторинге в вертикальных шахтных стволах // Механика подземных сооружений: Сб. науч. 'трудов/ ТулГУ. - Тула, 1997. - С. 45-54.

2. Савин И. И. Оценка начального напряженного состояния массива по величине нормальных тангенциальных напряжений, измеренных на внутреннем контуре крепи // Сгр-во тахт, рудников и подземных сооружений: Сб. науч. трудов. - Свердловск, 1987. - С. 53-56.

3. Савин И. И. Экспериментально - аналитический метод расчета многослойной круглой крепи // Вопросы разработки месторождений Дальнего Востока/ ДВПИ. - Владивосток, 1990. - С. 61 - 64.

4. Савин И. И. Экспериментально-аналитический метод расчета крепи по результатам измерений нормальных тангенциальных напряжений // Исследование проблем механики подземных сооружений: Со науч. трудов.-Тула:ТулПИ, 1987.-С. 31-34.

5. Савин И. И., Костенко Ю. А. Обоснование параметров двухслойной крепи стволов на основе обработки результатов натурных измерений II Механика подземных сооружений: Сб. науч. трудов/ ТулГУ. -Тула, 1997. - С. 39-44.

2SS -

6. Булычев Н. С., Савин И. И. Обработка и интерпретация результатов натурных измерений в шахтных стволах // Modelovvanie vv procesach projektowania i doboru obudow wyrobisk korutarzowych:.XV Zimowa Szkola Meclianiki Qorotvoru Szklarska Poreba, 2-7 marca 1992. -Wroclaw, 1992. -P. 35-41.

7. Булычев П. С., Савин И. И. Оценка напряженного состояния массива по результатам натурных измерений нагрузок на многослойную крепь выработки круглого сечения // Исслед. напряж. в горн, погодах. - Новосибирск, 1985. - С. 65-67.

8. Булычев Н. С., Савин И. И. Расчет крепи по результатам натурных замеров тангенциальных деформаций на внутреннем контуре крепи // Повышение эффективности горнопроходческих работ: Меж-вуз. сб. науч. трудов. - Кемерово: Кузбас. политехнич. ин-т, 1987. - С. 89-93.

9. Булычев Н. С., Савин И. И., Сергеев С. В. Расчет подземных конструкций по результатам экспериментальных исследований // Ре-сурсо- и энергосберегающие технологии материалов, изделий и конструкций: Материалы Междунар. конф. - Белгород, 1995. Ч. II.'С. 15 -16.

10. Булычев Н. С.,-Фотиева Н. Н.( Савин И. И. Экспериментально-аналитический метод расчета крепи горных выработок и подземных сооружений II Междунар. конф. Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики. 17-21 июня 1996, ВНИМИ, С.-Пб. - С. 202 -207. - - _

11. Savin I. Information Characteristics of Results of full Scate Measurements of Displacements in Shaft Support // Proc. of Int. Symp. an Rock Support. Lillshammer, Norway, 1997. - P, 322 - 328,

12. Bulychev N. S., S^yin 1.1. Interrelation of the results of full-scale measurements in the vertical 'mines // Effect of Geomechanics on Mine

Design: Proc. 12th Plenary Scient. Sess./ World Mining Congress, Katowice, 8-13 July 1991.- Rotterdam, 199,1.-P. 119-121.

13. Bulychev N. $., Savin 1.1. Technique of field measurement interpretation in erecting underground openings of round section // Proc. of the 2nd Int. Symp. on Field Measurements in Geomechanics. - Kobe, 1987. - P. 1225-1230.

14. Back-analysis of field measurements data in underground openings /.N. S. Bulychev, N, N. Fotieva, 1.1. Savin, A. S. Sammal // Proc.of ISRM Int.Symp. EUROCK'93. Lisboa'(Portuga!),I993. - P. 31 -36.

15. Bulychev N.. S., Ooncharov G. V., Savin 1. I. Rock mass elastic model and its application in mechanics of underground structures // Proc. Of the 10th Plenary Scientific Session of the International Bureau of Strata Mechanics: World Mining Congress. - Stockholm, 1987. - P. 133-139.

16. Stability evaluation of large underground openings /N. S. Bulychev, N. N. Fotieva, A. S. Sammal, 1.1. Savin, H, A. Naser, N. V. Dmitriev // Safety-and Environment Issues in Rock Engineering: Proc. Int. Symp., Lisboa, 21 - 24 June 1993. - Rotterdam, 1993. - P. 491 - 497.

Подписано а печать '■З'к , /¿^¿Фяр.иат бумаги 6(К8-4 1/16. Бутага типографская Л°а 2 Офсетная иичить. Усл. нсч. л, . Усл. кр.-ътт. . .Л'ч.мзд.д. /V/

Тираж /"i't' ж t. '¡;ik.4

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Jle miia, 92. Редакиионио- издательский центр Тульского государственного универсигет», 300600, г. Тула, ул. Ь'одлчиа, 151

Тульский государственный университет

На правах рукописи

САВИН Игорь Ильич

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛАХ НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ МЕХАНИКИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.15.04 - Строительство шахт и подземных сооружений

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор:технических наук,

мнение ог-^-^.......

присудил ученую степей ^ ^

; - —77."

• - * \ъвТула 1998 714 п ^

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 6

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 10

1.1. Натурные измерения и их роль в совершенствовании методов расчета

и контроля состояния крепи................................................................................... 10

1.2. Развитие методов расчета крепи с использованием данных

натурных измерений ............................................................................................... 18

1.3. Учет статистической неопределенности в механике подземных

сооружений ............................................................................................................. 37

Краткое заключение по главе I. Цель и задачи исследований..............................44

П. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛАХ ...................................................................................................................... 47

2.1. Определение вероятности разрушения крепи вертикального

ствола ...................................................................................................................... 47

2.2. Информационная энтропия напряженно-деформированного состояния крепи ствола ...........................................................................................................60

2.3. Определение оптимальной характеристики безопасности крепи.................. 63

2.4. Необходимость и эффективность инструментальных наблюдений............... 67

2.5. Оценка эффективности систем инструментальных наблюдений за одним, двумя или тремя компонентами напряженно-деформированного состояния

крепи ........................................................................................................................ 72

Краткое заключение по главе 2 .............................................................................. 84

Ш. ВЫБОР СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ....................................................................................................................... 86

3.1. Основные показатели проявлений горного давления.................................... 89

3.2. Измерения нагрузок на крепь .......................................................................... 91

3.3. Измерение напряжений и деформаций в элементах крепи ............................ 94

3.3.1. Электрические методы.................................................................................94

3.3.2. Механические методы................................................................................. 103

3.4. Измерение смещений точек контура выработки и крепи............................. 106

3.5. Выбор метода измерений............................................................................... ПО

3.6. Оптимизация экспериментальных исследований......................................... 111

3.6.1. Линейные оценки параметров .................................................................... 111

3.6.2. Требования, предъявляемые к оценкам ..................................................... 113

3.6.3. Наилучшие линейные оценки..................................................................... 114

3.6.4. Построение оптимальных планов эксперимента....................................... 116

3.6.5. Задача отыскания минимума функции затрат при заданном N ................ 119

3.6.6. Задача отыскания N для обеспечения заданной точности определения оценок искомых параметров ................................................................................ 120

3.6.7. Итеративная процедура построения/) - оптимального плана ................. 123

3.7. Резко выделяющиеся наблюдения................................................................. 124

Краткое заключение по главе 3 ........................................................................... 127

IV. РЕШЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

УПРУГОСТИ ДЛЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ................................................. 129

4.1. Постановка и общий путь решения обратных задач об определении расчетных характеристик начального поля напряжений .................................... 129

4.2. Оценка фактического напряженно-деформированного состояния крепи по результатам измерения одного компонента напряженно-деформированного состояния крепи .................................................................................................... 137

4.2.1. Расчет крепи с использованием результатов измерений нормальных радиальных напряжений на произвольном контакте слоев многослойной

крепи ...................................................................................................................... 137

4.2.2. Расчет крепи с использованием результатов измерений нормальных тангенциальных напряжений в произвольном слое многослойной крепи ........ 172

4.2.3. Расчет крепи с использованием результатов измерений относительных тангенциальных деформаций на внутреннем контуре произвольного слоя многослойной крепи............................................................................................. 200

4.2.4. Расчет крепи с использованием результатов измерений радиальных перемещений точек внутреннего контура произвольного слоя многослойной крепи...................................................................................................................... 203

4.2.4.1. Обработка результатов измерений перемещений (конвергенции) породного контура ствола .................................................................................... 204

4.2.4.2. Обработка результатов измерения перемещений точек внутреннего контура произвольного слоя крепи ствола.......................................................... 209

4.2.5. Алгоритм расчета многослойной крепи с использованием данных натурных измерений.............................................................................................................. 212

4.3. Оценка фактического напряженно-деформированного состояния крепи по результатам измерения двух или трех компонентов напряженно-деформированного

состояния крепи .................................................................................................... 219

Краткое заключение по главе 4 ............................................................................ 225

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 226

Список использованной литературы

230

ВВЕДЕНИЕ

Работы по проходке вертикальных шахтных стволов относятся к наиболее сложным и трудоемким работам при строительстве шахт и занимают 40 - 50 % общей продолжительности строительства и до 15 % общих капитальных затрат. Ствол является главной вскрывающей выработкой, нарушение функционирования которой ведет к остановке всего горного предприятия. Срок службы ствола зависит от правильного выбора конструкции крепи, обладающей достаточной несущей способностью, поэтому при проектировании к расчету крепи предъявляются повышенные требования. Современные методы расчета крепи, базирующиеся на принципах контактного взаимодействия крепи с линейно-деформируемым массивом пород, предполагают идеализацию объекта в виде расчетной схемы с использованием статистически-изменчивых данных о нагрузках и воздействиях, условиях строительства и эксплуатации, свойствах материалов и пород и др. величинах, что приводит к необходимости анализа вероятностной системы «крепь-массив». При строительстве стволов в сложных горно-геологических условиях и увеличении глубины их проведения из-за недостаточности сведений о начальном поле напряжений и закономерностях взаимодействия крепи с массивом пород возникают значительные осложнения. Примером может послужить разрушение крепи ствола шахты «Центральная» Донского ГОКа. Отсюда - актуальность осуществления в вертикальных стволах, сооружаемых в сложных условиях и на больших глубинах, мониторинга, представляющего собой систематические натурные измерения напряжений на контакте крепи с массивом пород (нагрузок на крепь), напряжений или деформаций в элементах крепи, смещений или конвергенции точек крепи с целью определения фактического напряженно-деформированного состояния и уточнения надежности и ресурса крепи ствола.

Трудоемкость натурных измерений определяет актуальность применения информационных подходов для обоснования необходимости осуществления измерений (мониторинга), определения наиболее информативных систем измерений и для оценки эффективности используемых систем.

Актуальной является разработка и совершенствование экспериментально-аналитических методов расчета крепи, которые дают возможность получения максимальной научной информации из результатов измерений и позволяют использовать результаты непосредственно для проектирования и расчета крепи стволов.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке РФФИ (РФФИ -ГФЕН Китая № 96-05-0057с) и Минобразования РФ (№ 35601 Гр/СПГ-10).

Цель работы - разработка информационной системы мониторинга для оценки ожидаемого уровня надежности и несущей способности крепи вертикальных шахтных стволов на основе решения обратных задач механики подземных сооружений.

Основная идея работы заключается в использовании методов теории информации и теории надежности для планирования натурных измерений компонентов напряженно-деформированного состояния крепи ствола и получения максимума информации при их интерпретации.

Методы исследования. Работа является теоретической, выполнена с использованием методов математической теории упругости, теории информации, теории вероятностей, методов математической статистики, программирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- получено аналитическое решение плоской контактной задачи теории упругости для многослойного кольца, подкрепляющего отверстие в имеющей начальное напряженное состояние линейно-деформируемой однородной изотропной

среде, в обратной постановке, состоящее в определении компонентов начальных напряжений, при которых расчетная эпюра измеряемых величин наилучшим образом приближается к измеренной в смысле наименьшего квадратичного отклонения;

- на основе решения обратной задачи разработан метод обработки результатов измерения нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом или на произвольном контакте слоев многослойной крепи, нормальных тангенциальных напряжений или деформаций в элементах крепи, смещений (конвергенции) точек внутреннего контура поперечного сечения произвольного слоя многослойной крепи, а также комплексных измерений произвольных компонентов напряженно-деформированного состояния крепи, выполненных в произвольных точках поперечного сечения слоев многослойной крепи;

- предложены и обоснованы информационные критерии оценки необходимости и достаточности проведения натурных измерений для исследования напряженно-деформированного состояния крепи, а также критерий выбора наиболее информативных систем инструментальных наблюдений;

- разработаны методы оценки необходимого количества пунктов измерений в поперечном сечении ствола для обеспечения заданной точности определения оценок искомых параметров и установления их оптимального расположения с целью получения максимальной информации из результатов измерения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

- применением строгих аналитических методов, имеющих контроль правильности решений;

- точным соответствием результатов расчета при расчете одной и той же конструкции крепи, рассмотренной в совокупности всех условий ее работы путем решения как прямой, так и обратной задачи.

Научное значение диссертационной работы состоит в разработке информационных критериев, позволяющих установить необходимость и достаточность натурных измерений и выбрать наиболее информативные системы инструментальных наблюдений, в разработке метода обработки экспериментальных данных, дающих возможность извлечения максимальной информации из результатов натурных измерений, в получении решения плоской контактной задачи теории упругости в обратной постановке и разработке на его основе экспериментально-аналитического метода расчета многослойной круглой крепи вертикальных стволов.

Практическое значение заключается в разработке метода оперативной обработки результатов натурных измерений в процессе мониторинга и экспериментально-аналитического метода и программы для ЭВМ расчета многослойной круглой крепи вертикальных стволов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы включены в отраслевую «Инструкцию по расчету крепи вертикальных стволов рудных шахт в тектонически активных районах (применительно к условиям Ким-персайских месторождений хромитовых руд Донского ГОКа)», утвержденную Минчерметом СССР.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались в период с 1984 г. по 1998 г. на конференциях различного уровня, в том числе на международных.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Натурные измерения и их роль в совершенствовании методов расчета и контроля состояния крепи

До недавнего времени к крепи горных выработок и подземных сооружений подходили как к обычной конструкции, разделяя расчет на три стадии: определение внешних нагрузок, определение внутренних сил (или напряжений) и проверку прочности конструкции. Крепь рассматривалась либо вне массива, воздействие которого заменялось внешними распределенными нагрузками, либо как конструкция на упругом основании, испытывающая кроме внешних (активных) нагрузок еще и упругий (пассивный) отпор со стороны основания. Поскольку расчет собственно конструкции (определение внутренних усилий и проверка прочности) трудностей не представлял, то проблема расчета крепи в целом отождествлялась с проблемой определения (прогноза) нагрузок на крепь. Предполагалось, что можно изучить закономерности нагружения крепи и, таким образом, решить проблему ее расчета и проектирования.

В течение десятилетий проблемой определения нагрузок на крепь занимались экспериментальная и теоретическая механика горных пород (геомеханика). В результате исследований было получено большое число данных натурных измерений, результатов физического моделирования и теоретических исследований, изучены процессы, протекающие в массиве пород при сооружении в нем выработок, и закономерности взаимодействия массива с крепью.

Экспериментальные исследования в натурных условиях имеют большое значение в горной науке и, в частности, в подземном строительстве. При тщательной методической проработке натурные измерения являются основой для получения эмпириче-

ских закономерностей, для проверки механических моделей и гипотез и, наконец, они становятся составной частью экспериментально-аналитических методов.

При решении различных задач управления горным давлением, к числу которых относятся выбор наиболее благоприятных условий расположения выработок, способ их охраны от неблагоприятного воздействия соседних выработок и определение требуемого типа и параметров крепи, исследователями в процессе проведения шахтных исследований производится изучение и определение следующих показателей:

- структуры и физико-механических свойств массива горных пород;

- начального напряженного состояния и его изменения в процессе ведения горных работ;

- смещений контура выработки и окружающего выработку массива пород;

- параметров, характеризующих взаимодействие массива пород с крепью.

В результате взаимодействия крепи с массивом пород в ней формируется напряженно-деформированное состояние, которое является важным объектом теоретического и экспериментального исследования. При экспериментальном изучении проявлений взаимодействия крепи вертикальных стволов с массивом пород производятся измерения:

- нормальных радиальных напряжений на контакте крепи с массивом (нагрузок на крепь);

- нормальных радиальных напряжений на произвольном контакте слоев многослойной крепи;

- нормальных тангенциальных напряжений или деформаций в элементах крепи;

- перемещений (конвергенции) точек внутреннего контура крепи.

Ч

С целью объяснения напряженного состояния крепи был выдвинут ряд гипотез горного давления [11, 15, 58, 105, 128, 144, 145, 177, 193, 221, 230 и др.]. Для того что-

бы подтвердить правильность той или иной гипотезы возникла необходимость проверки их опытным путем, а так как гипотез горного давления было много, то были проведены обширные эксперименты, в том числе по измерению давления (нагрузок) на крепь. Следовательно, одной из основных задач шахтных исследований, необходимой для расчета крепи, является определение давления (нагрузок) на крепь.

Методам натурных измерений в вертикальных стволах, капитальных горизонтальных выработках и тоннелях посвящена обширная литература.

В мировой практике наиболее интенсивно исследования в стволах начали проводиться начиная с 50-х годов. В нашей стране наиболее существенный вклад в развитие техники и технологии натурных измерений, направленных на изучение взаимодействия крепи с массивом пород, внесли такие ведущие академические и научно-исследовательские институты: ГИКФ АН СССР, ИГД и ИГДС СО АН СССР, ВНИМИ, ВНИИОМШС, КузНИИшахтострой, ИГД Минчермета СССР, ЦНИИС Минтрансстроя, ВНИИГ Минэнерго СССР и др.

В работах [22, 36, 56, 57, 60, 61, 73 - 75, 78 - 81, 84, 85, 90, 91 - 94, 111, 123, 127, 149, 151, 166 - 168, 179, 186, 201, 208 - 209 и др.] авторами А. А. Ардишвили, В. А. Б