автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы

На правах рукописи

САЗОНОВ Михаил Сергеевич

Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы

Специальность: 05.26.03 — «Пожарная и промышленная безопасность (в горной промышленности)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР 2013

005052024

Москва 2013

005052024

Работа выполнена в ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности» и ООО «ВостЭКО»

доктор технических наук МАЛИННИКОВА Ольга Николаевна, зав. лабораторией «Геотехнологических процессов» ФГБУН Института проблем комплексного освоения недр РАН;

кандидат технических наук ВЕРНИГОР Владимир Михайлович, зам. начальника ФАУ «Главгосэкспертиза России»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

(г. Новокузнецк)

Защита диссертации состоится 23 апреля 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, дом 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Научный руководитель: доктор технических наук КАЗАНЦЕВ Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан ¿€£марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время перед горной наукой и практикой стоит проблема повышения безопасности производства. Наибольшее количество аварий и травм, согласно статистике, происходит в шахтах в результате обрушений пород и других геодинамических явлений. Для защиты от них необходимо знать возможные места проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера в угольных пластах (опасные зоны), что требует дальнейшего изучения причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

Одним из факторов, влияющих на текущее напряженное состояние углепородного массива, является изменение естественной влажности угольного массива в приконтурных частях выработок во времени. Изменение влажности массива происходит в силу различных причин, зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры и влажности шахтной атмосферы, от управления режимами проветривания и других причин. В связи с этим исследование влияния влажности шахтной атмосферы на прочностные свойства массива с целью повышения геодинамической безопасности ведения горных работ представляется актуальным.

Цель работы - разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего выявление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределение во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для повышения безопасности горного производства.

Идея работы заключается в установлении и использовании зависимостей влияния изменения естественной влажности углей при проветривании горных выработок на НДС углепородного массива для прогноза геодинамических явлений в угольных пластах.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов научных исследований, включающий:

- натурные исследования влияния влажности шахтной атмосферы на изменение влажности углей в окрестности горных выработок во времени;

- лабораторные исследования влияния влажности угля во время сушки на его диаграммы деформирования по разработанной методике определения интервала "критической влажности";

-метод для установления корректирующей функции в области "критической влажности" углей;

- аналитические и численные методы математического моделирования проявлений горного давления на базе геомеханики с учетом изменения естественной влажности каменных углей во времени с использованием пространственных моделей, определяющих соотношений Генки - Ильюшина и метода последовательных приближений Биргера.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.

1. Для углей различных стадий метаморфизма существует интервал "критической влажности" угля, где при снижении влажности имеет место градиентное изменение его физико-механических характеристик до уровня ±40%.

2. Использование корректирующей функции позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования угля с естественной влажностью для любого другого уровня влажности угля при изменении ее во времени с учетом области "критической влажности", соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

3. Достоверный метод прогноза геодинамических явлений в угольных пластах при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, базирующийся на основе пространственного моделирования геомеханических процессов в массиве горных пород, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределения во времени в окрестности выработок, требует использования корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

4. Во время проветривания горных выработок при изменении естественной влажности углей до интервала "критической влажности" происходит перераспределение напряженного состояния массива у их бортов, у очистного забоя, в местах их сопряжений, что ведет к увеличению потенциальной энергии углепородного массива и скорости ее освобождения и увеличивает вероятность возникновения горного удара.

2

5. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного' и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

-высоким уровнем объективности результатов прогноза геомеханического состояния углепородного массива, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методикам и алгоритмам с данными отечественных и зарубежных авторов (расхождение не более 1% относительной ошибки);

-удовлетворительным уровнем объективности экспериментальных результатов (более 600 экспериментов на образцах, коэффициент вариации значений механических характеристик не превышает 15%);

-положительными результатами шахтных исследований, свидетельствующими о существовании процесса изменения влажности угольного массива у бортов выработок во время проветривания.

Научное значение диссертации состоит «разработке метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его трансформацию во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для принятия инженерных решений по уменьшению концентрации напряжений в различных конструктивных элементах угольных шахт.

Практическая значимость диссертации. Разработана методика, позволяющая на основе использования многопараметрических пространственных моделей трансформации во времени НДС вокруг горных выработок повысить точность, надежность, достоверность конечных результатов, выполнять анализ и прогноз геодинамических ситуаций на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка,

что обеспечит существенное повышение геодинамической безопасности шахт.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием "Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса" (г. Белово, 2011); на II Международной научно-практической конференции "Динамика научных исследований - 2011" (Украина, г. Днепропетровск, 2011); на научно-технических семинарах "НЦ ВостНИИ" (г. Кемерово, 2012); V международной научной конференции "Инновации в технологиях и образовании" (г. Белово, 2012); заседаниях экспертной группы по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса -2011" (14-15 ноября 2011г., г. Кемерово); заседаниях научно-технического семинара при ОАО "НЦ ВостНИИ" (12 декабря 2012г., г. Кемерово), заседаниях экспертной комиссии по подведению итогов конкурса "Лучший городской инновационный проект" (20 января 2012г., г. Кемерово).

Реализация работы:

установленное нелинейное изменение объема, вызывающее внутренние напряжения в микропористой структуре угля в области "критической влажности", использовано при выполнении государственного контракта «Разработка новой технологии активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающей сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов»;

- установленное нелинейное изменение объема, вызывающее увеличение химической активности в области "критической влажности", использовано при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа - «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля»;

- разработанный метод используется на предприятии ООО «НЛП Система промышленной безопасности».

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 научных трудах, 7 из которых напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 149 рисунков, список использованной литературы из 80 наименований, 1 приложение.

Основное содержание работы

В последние 20-30 лет в связи с развитием вычислительной техники наука о состоянии горных массивов получила новое стремительное развитие. В этом большая заслуга отечественных ученых, внесших значительный вклад в изучение состояния горных массивов, таких как С.Г.Авершин, Б.И.Бокий,

A.А.Борисов, А.С.Бурчаков, Ф.П.Бублик, Г.И.Грицко, Е.С.Ержанов, Г.Н.Кузнецов, С.Т.Кузнецов, Ю.М.Либерман, А.М.Линьков, В.И.Мурашев, М.М.Протодьяконов, И.М.Петухов, К.В.Руппенейт, В.Д.Слесарев,

B.Ф.Трумбачев, В. Н. Фрянов, П.М.Цимбаревич, И.Л.Черняк, В.В. Ходот, В.Н. Захаров, О.Н. Малинникова и многих других. Следует отметить, что все исследования проводились без учета временного фактора и в плоской постановке задачи. В настоящей работе поставлена упомянутая выше цель.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние изменения естественной влажности углей на диаграммы деформирования и основные физико-механические характеристики углей различных стадий метаморфизма.

2. Разработать методику расчета НДС углепородного массива в окрестности горных выработок с помощью МКЭ, учитывающую изменения естественной влажности углей различных стадий метаморфизма во времени.

3. Разработать пространственную модель для расчета и анализа процессов трансформации во времени напряженного состояния углепородного массива вокруг горных выработок при их проветривании для прогноза опасных геодинамических явлений.

4. Провести анализ и оценить вклад влияния изменения естественной влажности каменных углей различной стадии метаморфизма под воздействием шахтной атмосферы на перераспределение НДС в окрестности подготовительных выработок и у очистных забоев, в краевых зонах угольных пластов для расчета показателя удароопасности.

Анализ случаев горных ударов на шахтах Кузбасса и исследования ВНИМИ показывают, что горные удары в различных бассейнах России отмечаются как на участках пластов с крепким углем в зонах опорного давления от очистных работ, так и вдали от них. Связано это с разработкой угольных пластов на глубинах ниже критических по горным ударам.

результате различной деформации, усадки пористой структуры угля (аморфной среды) и кристаллической.

Таблица 3

Относительное (%) изменение деформационных характеристик каменных __углей при "критической влажности "__

Каменный уголь, марка Модуль упругости, % Модуль деформации, % Коэффициент Пуассона, % Коэффициент поперечной деформации, % Остаточные деформации, %

СС +25 +34 +1 +2 -27

КС +8 +33 +3 +2 -35

ко +9 +6 +2 +5 -37

гж +16 +29 +2 +1 -34

г +12 +25 +1 +7 -22

д +24 +16 +1 +8 -26

Изменение влажности массива происходит в силу различных причин, зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры шахтной атмосферы, от управления режимами проветривания, по другим причинам.

Сопоставление полученных диаграмм деформирования угля для различного уровня влажности показали, что зависимость напряжения от деформации может быть получена из одной кривой деформирования умножением ее ординат на некоторую величину, являющуюся функцией влажности:

¡7 = <р(є)/(ш).

аи = Е ■ єи,еслиєи <0,01 <т„ = /(№)■ Е ■ є:і,еслиєи <0,01

<т„ = Л-<ут +ЕТ ■єІІ,если_ЕІІ >0,01 ан = /(IV) ■ (Л ■ сгт + Ет ■ єи),если_єи >0,01,

где ^=1-Ет/Е - параметр упрочнения, Ет - касательный модуль материала при єц>0,01, Е - модуль материала в линейно-упругой области, от - напряжение предела линейной упругости, (р (є) - функция деформирования угля, ґ(»г) - корректирующая функция влажности.

На рис. 5 представлен

график корректирующей функции влажности /(м>), полученный в результате оценок величин коэффициентов перехода диаграмм деформирования угля с естественной влажностью в диаграмму деформирования угля с наперед заданной влажностью. Хорошее

1 ¡Я" и ІЬ О- Й 1.2 В а 2 я о, 5--Є- О і .© о 1 'Л и

— »

/ \

V

/ \

/

> ч

0 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Влажность угля %

Рис. 5. Зависимость корректирующей функции /(н>) от влажности угля и' для марки СС

согласование с результатами эксперимента (рис. 5) дает следующее аналитическое представление функции/(м>)\

/уу) = 1 + 4=--—г. (2)

у у ' ГБ (У-»'«)' ' 4 '

где — влажность угля, %; - влажноств, Ьри которой корректирующая функция принимает максимальное значение - "критическая влажность",%; В-эмпирический коэффициент В= -1,17У2+71,54У-889,85; V — выход летучих веществ угля, %

При анализе существующих аналитических и инженерных методов

расчета деформирования углепородного массива одним из вариантов использования численных методов структурного анализа является решение функционала потенциальной энергии углепородного массива - функционала Лагранжа:

Ди) = 1/2/ <{и}г[Д]г[0]№} - {е0}т1ЩШ)<&, (3)

где {и}-вектор перемещений; [5] —матрица дифференциальных операторов Коши; [О] -матрица упругих констант материала; {£0] - вектор начальных деформаций; V - объем тела.

Дискретизация функционала Лагранжа осуществлялась с использованием метода конечных элементов. В соответствии с принципом минимума полной энергии твердого деформируемого тела получим систему разрешающих линейных алгебраических уравнений:

ы ы а

^Г д/(и)/ди, = 0; ^Г 3/(ы>/ сНг, = 0; V 3/С„)/ дщ = О, ¡=1 £=1 !=1 (4)

где N - число узлов сетки конечных элементов; и, V, ш - перемещения узла конечного элемента в декартовой системе координат.

При решении задач о деформировании углепородного массива в рамках линейно-упругого поведения материала использованы некоторые из процедур широко известного программного комплекса А^УБ. При решении задач за пределами линейной упругости использованы гипотезы малых упругопластических деформаций с определяющими соотношениями Ильюшина - Генки. Линеаризация функционала Лагранжа осуществлялась по методу упругих параметров Биргера. Алгоритм расчета НДС углепородного массива реализован на персональной ЭВМ с использованием языка программирования высокого уровня - АРБЬ.

Проведена оценка точности разработанных методов расчета НДС углепородного массива на базе сопоставления с аналитическими и численными решениями других авторов. Расхождение результатов при расчете задач в упругой постановке не превысило 0,08%, а в упруго пластической -1%.

Экспериментальными исследованиями в натурных условиях на действующей шахте «Заречная» установлено, что во время проветривания горной выработки происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля.

Рис. 6. Зависимость влажности угля IVмарки Г от глубины скважины: а) на 4 сутки проветривания; б) на 11 сутки проветривания выработки

На рис. 6 представлены результаты замеров влажности проб угля, отобранных из скважин, пробуренных в борте выработки, с различной глубины. При расчетах деформирования углепородного массива использованы экспериментально полученные данные о влажности угля (рис. 6). Диаграмма деформирования после ее схематизации уточнялась с использованием корректирующей функции влажности Д\\>) (рис. 5) для каждого конечного элемента с учетом его уровня влажности. При расчетах (рис. 7) полагалось, что вмещающие породы деформируются линейно-упруго.

щрщЩшр!!

1

а) 8) в)

Рис. 7. Расчетные схемы: а) задача о плоской деформации углепородного массива у выработки; б) задача о плоской деформации углепородного массива у очистного

забоя; в) трехмерная задача на сопряжении очистного забоя с выработкой

Расчеты показывают, что для углей других марок характер распределения информативных параметров НДС у выработок качественно не отличается.

Скорость освобождения энергии О(0 для двух промежутков времени проветривания рассчитывалась по зависимости:

принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

2. Установлен интервал "критической влажности" угля для различных стадий его метаморфизма во время сушки, представляющий собой интервал влажности, в котором локально и волнообразно увеличиваются значения предела прочности при сжатии до 40%, коэффициента дробимости до 30%, модуля упругости до 25%, модуля деформации до 35%, коэффициента Пуассона до 3%, коэффициента поперечной деформации до 8%. При этом снижаются значения относительного изменения объема до 0,7% и предела прочности при растяжении до 40%.

3. Изменение ФМХ углей при изменении естественной влажности обусловлено возникновением внутренних напряжений, возникающих в результате различной деформации, усадки пористой структуры угля (аморфной среды) и кристаллической. Использование корректирующей функции и = <р(в)/{у!) позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования при изменении естественной влажности угля во времени с учетом области "критической влажности", соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

4. Метод анализа напряженно-деформированного состояния углепородного массива сложного строения при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива, для расчета показателя удароопасности с целью повышения безопасности горного производства, заключается в использовании корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

5. Проведена оценка точности разработанных методов расчета НДС углепородного массива на базе сопоставления с аналитическими и численными решениями других авторов. Расхождение результатов при расчете задач в упругой постановке не превысило 0,08%, а в упругопластической — 1%, при этом вариация экспериментально определенных ФМХ углей составила 15%.

6. Установлено, что во время проветривания горной выработки в течение 18 суток происходит осушение угольного массива от ее бортов и снижение естественной влажности угля до глубины в 2 м.

7. При упругопластическом деформировании и одновременном учете корректирующей функции f(w) в результате снижения естественной влажности углей в сопряжении очистного забоя и выработки в период от 6 до 14 суток проветривания проявляется влияние "критической влажности" — локально увеличиваются упругопластические свойства угля, снижаются значения вертикальных напряжений на обнажении выработки, увеличивается конвергенция кровли, что влечет за собой резкое изменение баланса общей потенциальной энергии, увеличение концентрации энергии в зоне с повышенными значениями ФМХ угля, изменение распределения вертикальных сжимающих напряжений. Процесс снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" ведет к увеличению показателя удароопасности Ду и является одним из многих факторов, повышающих вероятность возникновения мощного динамического явления — горного удара.

8. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности при помощи разработанного метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, склонных к горным ударам, с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки РФ:

1. Казанцев, В.Г. К задаче о структурном анализе и диагностике состояния горного массива / В.Г. Казанцев, К.В. Шестаков, М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. - № 2. -С. 5-19.

2. Сазонов, М.С. Зависимость показателя дробимости каменных углей от влагосодержания/ A.C. Ворошилов, М.С. Сазонов, К.С. Лебедев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2010. - № 1. - С. 99-102.

3. Сазонов, М.С. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния микропористого адсорбента при различных влажностях / М.С. Сазонов, В.Г. Казанцев, С.П. Ворошилов, К.С. Лебедев, A.C. Ворошилов// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 2. - С. 72-79.

4. Ворошилов, С.П. Поведение константы скорости реакции кислорода с углем при внутренней и внешней механоактивации / С.П. Ворошилов, A.C. Ворошилов, К.С. Лебедев, М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. -№ 2. - С.99-103.

5. Сазонов, М.С. Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. —2011. -№ 1. — С.41-48.

6. Сазонов, М.С. Исследование зависимости показателя удароопасности углей различной степени метаморфизма от влагосодержания угля во время его сушки /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. —2011. — № 2. — С. 125-131.

7. Сазонов, М.С. Исследования изменения влажности угольного массива под воздействием шахтной атмосферы /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. —2012. — № 2. — с. 73-77.

в прочих изданиях и материалах конференций:

8. Сазонов М.С. Исследование физико-механических характеристик углей при различных влажностях воздуха // материалы IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса»,- Белово, 2011. - С. 178-182.

9. Сазонов М.С. Исследование прочностных и деформационных свойств каменных углей с различным влагосодержанием // материалы II Международной научно-практической конференции "Динамика научных исследований". - Днепропетровск, 2011. - С. 35-41.

10. Сазонов М.С. и др. Разработка новой технологии активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающей сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов (третье место в номинации «Лучший проект с использованием инновационных технологий» в конкурсе "Лучший городской инновационный проект")./

19

Городская администрация, г. Кемерово, 2012 г., ту\у.кетегоуо.ги (дата обращения к электронному ресурсу - апрель 2012г.)

11. Сазонов М.С. Шахтные исследования изменения влажности угольного массива во время проветривания горных выработок // материалы V международной научной конференции "Инновации в технологиях и образовании (КузГТУ)" - Белово, 2012. - С. 216-223.

12. Положительное решение формальной экспертизы, по заявке № 2012100420 "Технология активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающая сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов", дата подачи заявки -10.01.2012 г.

Подписано в печать 15 марта 2013 г. Формат 60х90\16 Объём 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1618

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский проспект, 6

Открытое акционерное общество "Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности" Общество с ограниченной ответственностью "ВостЭКО"

На правах рукописи

САЗОНОВ Михаил Сергеевич

04201355566

Разработка метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах с учетом влажности шахтной атмосферы

Специальность: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (в горной промышленности)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Казанцев В.Г.

Москва 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. Проблемы анализа деформирования горных пород с учетом их естественной влажности......................................................................................9

1.1 Методы структурного анализа деформирования горных пород...............9

1.2 Влияние влажности на физико-механические свойства углей................13

1.3 Классификация состояний углей в процессе сушки.................................16

1.4 Цель и задачи исследования........................................................................22

Выводы................................................................................................................23

2. Исследование влияния изменения естественной влажности углей различной стадии метаморфизма на их физико-механические характеристики...................................................................................................24

2.1 Методика исследований...........................................................................24

2.2 Изучение распределения влаги в каменных углях................................27

2.3 Изучение физико-механических характеристик каменных углей при изменении их естественной влажности...........................................................33

2.4 Изучение деформационных характеристик углей под нагрузкой при изменении их естественной влажности...........................................................44

2.5 Аналитическая оценка изменения физико-механических

характеристик углей при изменении их естественной влажности...............57

Выводы................................................................................................................60

3. Метод конечных элементов в задачах геомеханики................................61

3.1 Основные теоретические положения конечно-элементной модели деформирования.................................................................................................61

3.2 Универсальная программная система конечно-элементного анализа (Албуб).................................................................................................................64

3.3 Реализация метода конечных элементов в рамках решения задач статики в линейно-упругой постановке. Оценка точности...........................66

3.4 Реализация метода конечных элементов для решения задач упругости и

пластичности. Оценка точности.......................................................................69

Выводы................................................................................................................74

4. Конечно-элементный анализ НДС горных выработок..........................75

4.1 Методика исследований...........................................................................75

4.2 Разработка алгоритма расчета НДС углепородного массива с учетом естественной влажности....................................................................................75

4.3 Исследование НДС углепородного массива в окрестности горных выработок............................................................................................................82

4.4 Исследование НДС углепородного массива у очистного забоя.............99

4.5 Исследование НДС углепородного массива в краевых зонах угольных пластов...............................................................................................................106

4.6 Влияние проветривания горных выработок на геодинамическую

безопасность выемочных участков................................................................114

Выводы..............................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................123

Список литературы..........................................................................................125

Приложение 1. Программа расчета НДС углепородного массива в упругопластической стадии деформирования у очистного забоя с учетом изменения естественной влажности угля во времени...............................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время перед горной наукой и практикой стоит проблема повышения безопасности производства. Наибольшее количество аварий и травм, согласно статистике, происходит в шахтах в результате обрушений пород и других геодинамических явлений. Для защиты от них необходимо знать возможные места проявления природных и техногенных явлений разрушительного характера в угольных пластах (опасные зоны) [1,2], что требует дальнейшего изучения причин и закономерностей возникновения этих опасных явлений с целью научного обоснования принципов и способов обеспечения геодинамической безопасности на шахтах.

Для решения проблемы повышения безопасности горного производства становится очевидной необходимость совершенствования методов и средств оценки исходного механического состояния углепородного массива с последующим принятием необходимых решений по увеличению работоспособности горных выработок. Сложность установления реального состояния массива еще совсем недавно не позволяла сформулировать не только практические, но и методические аспекты изучения дисциплины, которая сегодня называется управление состоянием горных пород. В последние 20-30 лет в связи с развитием вычислительной техники, автоматики, телемеханики и на этой основе экспериментальной техники диагностики наука о состоянии горных массивов получила новое стремительное развитие. В этом большая заслуга отечественных ученых, внесших значимый вклад в изучение состояния горных массивов, таких как С.Г.Авершин, Б.И.Бокий, А.А.Борисов, А.С.Бурчаков, Ф.П.Бублик, Г.И.Грицко, Е.С.Ержанов, Г.Н.Кузнецов, С.Т.Кузнецов, Ю.М.Либерман, А.М.Линьков, В.И.Мурашев, М.М.Протодьяконов, И.М.Петухов, К.В.Руппенейт, В.Д.Слесарев, В.Ф.Трумбачев, В. Н. Фрянов, П.М.Цимбаревич, И.Л.Черняк, В.В. Ходот, В.Н. Захаров, О.Н. Малинникова и многих других. По мере углубления изучения проблемы оценки состояния массива, усложняются расчетные модели, увеличивается и число новых факторов, которые должны приниматься во внимание и учитываться, поскольку при расчете НДС горного массива особое значение приобретают вновь выявленные и ранее не учитывавшиеся эффекты, которые в совокупности приводят к понятию горное давление.

Одним из факторов, влияющих на текущее напряженное состояние углепородного массива, является изменение естественной влажности [3-6] угольного массива в приконтурных частях выработок во времени. Изменение

4

влажности массива происходит в силу различных причин [7], зависит от условий обводненности выработок, сезонных колебаний температуры и влажности шахтной атмосферы [8-11], от управления режимами проветривания и другим причинам. В связи с этим исследование влияния влажности шахтной атмосферы на прочностные свойства массива с целью повышения геодинамической безопасности ведения горных работ представляется актуальным.

Цель работы - разработка метода прогноза геодинамических явлений в

угольных пластах, обеспечивающего выявление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределение во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для повышения безопасности горного производства.

Идея работы заключается в установлении и использовании зависимостей влияния изменения естественной влажности углей при проветривании горных выработок на НДС углепородного массива для прогноза геодинамических явлений в угольных пластах.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов научных исследований, включающий:

- натурные исследования влияния влажности шахтной атмосферы на изменение влажности углей в окрестности горных выработок во времени;

- лабораторные исследования влияния влажности угля во время сушки на его диаграммы деформирования по разработанной методике определения интервала "критической влажности";

-метод для установления корректирующей функции в области "критической влажности" углей;

- аналитические и численные методы математического моделирования проявлений горного давления на базе геомеханики с учетом изменения естественной влажности каменных углей во времени с использованием пространственных моделей, определяющих соотношений Генки - Ильюшина и метода последовательных приближений Биргера.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.

1. Для углей различных стадий метаморфизма существует интервал "критической влажности" угля, где при снижении влажности имеет место градиентное изменение его физико-механических характеристик до уровня ± 40%.

2. Использование корректирующей функции позволяет получить связь напряжений с деформациями из исходной диаграммы деформирования угля с естественной влажностью для любого другого уровня влажности угля при изменении ее во времени с учетом области "критической влажности", соответствующей интервалу накопления энергии упругих деформаций.

3. Достоверный метод прогноза геодинамических явлений в угольных пластах при действии гравитационной нагрузки с учетом изменения естественной влажности угля за счет испарения, базирующийся на основе пространственного моделирования геомеханических процессов в массиве горных пород, обеспечивающий вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его перераспределения во времени в окрестности выработок, требует использования корректирующей функции, функционала Лагранжа и его дискретизации по методу конечных элементов.

4. Во время проветривания горных выработок при изменении естественной влажности углей до интервала "критической влажности" происходит перераспределение напряженного состояния массива у их бортов, у очистного забоя, в местах их сопряжений, что ведет к увеличению потенциальной энергии углепородного массива и скорости ее освобождения и увеличивает вероятность возникновения горного удара.

5. Для предотвращения возникновения аварийных ситуаций природного и техногенного характера необходимо на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка проводить оценку геодинамической безопасности с учетом влажности шахтной атмосферы, а также вести постоянный контроль относительной влажности воздуха, подаваемого на выемочные участки, с применением мероприятий, не допускающих снижения естественной влажности угольного массива до области "критической влажности" в пределах защитной зоны.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

-высоким уровнем объективности результатов прогноза геомеханического состояния углепородного массива, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методикам и алгоритмам с данными отечественных и зарубежных авторов (расхождение не более 1% относительной ошибки);

-удовлетворительным уровнем объективности экспериментальных результатов (более 600 экспериментов на образцах, коэффициент вариации значений механических характеристик не превышает 15%);

-положительными результатами шахтных исследований, свидетельствующими о существовании процесса изменения влажности угольного массива у бортов выработок во время проветривания.

Научное значение диссертации состоит «разработке метода прогноза геодинамических явлений в угольных пластах, обеспечивающего вычисление детального распределения напряженного состояния углепородного массива и его трансформацию во времени в окрестности выработок с учетом влажности шахтной атмосферы на основе пространственного моделирования процессов геомеханики, для принятия инженерных решений по уменьшению концентрации напряжений в различных конструктивных элементах угольных шахт.

Практическая значимость диссертации. Разработана методика, позволяющая на основе использования многопараметрических пространственных моделей трансформации во времени НДС вокруг горных выработок повысить точность, надежность, достоверность конечных результатов, выполнять анализ и прогноз геодинамических ситуаций на стадии проектирования или перед началом отработки выемочного участка, что обеспечит существенное повышение геодинамической безопасности шахт.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV межрегиональной научно-практической конференции с международным участием "Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса" (г. Белово, 2011); на II Международной научно-практической конференции "Динамика научных исследований - 2011" (Украина, г. Днепропетровск, 2011); на научно-технических семинарах "НЦ ВостНИИ" (г. Кемерово, 2012); V международной научной конференции "Инновации в технологиях и образовании" (г. Белово, 2012); заседаниях экспертной группы по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса -2011" (14-15 ноября 2011г., г. Кемерово); заседаниях научно-технического семинара при ОАО "НЦ ВостНИИ" (12 декабря 2012г., г. Кемерово), заседаниях экспертной комиссии по подведению итогов конкурса "Лучший городской инновационный проект" (20 января 2012г., г. Кемерово).

Реализация работы:

установленное нелинейное изменение объема, вызывающее внутренние напряжения в микропористой структуре угля в области "критической влажности", использовано при выполнении государственного контракта «Разработка новой технологии активации угля для теплоэнергетики, обеспечивающей сокращение удельного расхода угля и снижение количества экологически опасных золошлаковых отходов»;

- установленное нелинейное изменение объема, вызывающее увеличение химической активности в области "критической влажности", использовано при разработке НЦ ВостНИИ нормативного документа - «Методика измерений инкубационного периода самовозгорания угля»;

- разработанный метод используется на предприятии ООО «НПП Система промышленной безопасности».

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 научных трудах, 7 из которых напечатаны в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 149 рисунков, список использованной литературы из 80 наименований, 1 приложение.

1. Проблемы анализа деформирования горных пород с учетом их естественной влажности

1.1 Методы структурного анализа деформирования горных пород

Анализ существующих аналитических и инженерных методов расчета деформирования изделий показывает, что область их применения ограничивается решением узкого круга задач теории упругости и еще меньше получено решений простейших задач пластического деформирования. Получению достоверных количественных аналитических решений препятствуют сложности математического характера. Как следствие таких затруднений большинство из известных решений базируется на представлении материала в виде упругих, однородных, изотропных и сплошных сред. В действительности имеет место бесконечная сложность реологического поведения материала - это нелинейная вязкоупругость, проявляющаяся одновременно, и незатухающая память стареющих, обладающих признаками прочностного восстановления и упрочнения, сложная термореология и т.д. Кроме того, большинству материалов присущи трехмерные структурные особенности, затрудняющие выбор и обоснование достоверных расчетных схем.

Инженерные методы расчета, полученные путем корректировки аналитических решений посредством некоторой системы поправочных эмпирических коэффициентов, установленных на основе экспериментов и натурных наблюдений, также ограничены областью применимости, т.к. полученные результаты оказываются достоверными лишь в тех условиях протекания механического процесса, в которых этот эксперимент проводился. Использование полученных таким образом результатов в виде обобщений на другие условия оказывается проблематичным из-за необходимости проведения дополнительных исследований с целью изучения не учтенных ранее эффектов, а их учет во всем многообразии, как правило, зачастую ограничивается высокой стоимостью экспериментальных исследований, отсутствием или необходимостью разработки нового экспериментального оборудования.

Не умаляя достоинств инженерных и аналитических подходов к решению задач механики, заметим, что наиболее информативными, продуктивными и более достоверными методами анализа, учитывающими комплексы технических, технологических и организационных факторов, признаны численные методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) изделий с помощью ЭВМ [12-16].

В качестве базовых расчетных методов анализа используются методы дифференциальных и интегральных уравнений, термодинамические и некоторые другие подходы. Среди численных методов расчета НДС деталей и конструкций наиболее развиты конечно-разностный метод (КРМ)