автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Учет неупругих деформаций при прогнозе термомеханического состояния массива многолетнемерзлых горных пород

КЗ 03 .

- • ; • ' РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СЕВЕРА

на правах рукописи

СЛЕПЦОВ ВАСИЛИИ ИННОКЕНТЬЕВИЧ

УДК 622.831:536.251(551.34)

УЧЕ. ЛЕУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПРОГНОЗЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ИНОГОЛЕТНЕИЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.is.ii - "Физические процессы горного

производства" Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата, технических наук

научный руководитель -докт. техн. наук, проф. В.Ю. Изаксон

Якутск - 1993

('лПпуа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.В.Изаксон

Официальные оппоненты: доктор технических наук Н.К.Звонарев

кандидат физико-математических наук А.В.Колмогоров

Ведущее предприятие - Институт горного дела СО РАН

заседании специализированного совета К. °ооз.44.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте горного дела Севера СО РАН по адресу: 677007, г.Якутск, ул.Кулаковского( 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД Севера СО РАН.

Защита состоится

г.

.часов на

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета д.т.н., проф.

Работа посвящена разработке методов определения термомеханического состояния массива многолетнемерзлих пород вокруг горных выработок и оценке влияния различных особенностей многолетнемерзлих пород на напряженное состояние массива на основе предлагаемой математической модели деформирования.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Горное производство в условиях многолетней мерзлоты,- на территории которой сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых страны,_ имеет ряд специфических проблем, связанных с прогнозом и управлением термомеханическим состоянием массивов горных пород (например, расчет крепи и управление устойчивостью горных выработок, расчет устойчивости откосов карьеров, управление состоянием массива многолетнемерзлых горных пород в основании фундаментов инженерных сооружений и т.д.) Такие задачи в обычных условиях решаются методами механики горных по'род. Для многолетнемерзлых горных пород (ММГП) применение только этих методов недостаточно, поскольку технологическое воздействие сопровождается изменением теплового режима пород, что ведет к изменению их физико-механических свойств и "к проявлению их специфических осо-' бенностей.

Эффективность решения исследуемой проблемы во многом зависит от понимания и правильного описания процессов, протекающих в массиве ММГП в связи с ведением горных работ. Это требует систематического исследования температурного фактора, взаимовлияния процессов, протекающих в массиве. Моделирование тер-момехвническкх процессов, как правило, производится без учета особенностей мерзлоты (зависимость механических характеристик ММГП от температуры и влажности, температурные деформации, деформации, возникающие вследствие фазового перехода поровой влаги, и пр.), что приводит к недостаточной точности прогноза результатов технологических воздействий на ММГП и создает неопределенность при проектировании зданий и сооружений, велении горных работ. Это влечет за собой неоправданно высокие коэффициенты запаса, зачастую не спасающие объекты от разрушений или приводящие к значительным затратам на строительство и эксплуатацию на Севере.-.

сеязи с этим приобретает актуальность научная пробл';;.«

разработки методов прогноза и управления терыоивханичесЙ№. состоянием (ТМС) массива ММГП, которые позволили бы учесть 'СО новные, определяющие его поведение, факторы в комплексе Ш совместного проявления, 'с максимально полным отражением гарО1-кого разнообразия особенностей массива ММГП и с наиболее полным учетом особенностей конкретного технологического воздействия.

Цель работы. Разработка математических средств прогноза напряженно-деформированного состояния массива ММГП, основанных на использовании механической модели, учитывающей изменение механических характеристик горных пород и возникающие в массиве горных пород деформации немеханической причины, для управления устойчивостью и повышения безопасности эксплуатации гор-, ных выработок. .

Задачи исследования:

- проведение анализа существующих теоретических моделей деформирования массива ММГП и моделей по определению нестационарного температурного поля в массиве ММГП с учетом фазовых переходов поровой влаги;

- выбор математической модели процесса про'мерзания-прота-ивания ММГП (тепловая задача);

- разработка математической модели напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг протяженной выработки круглого сечения (механическая задача); .

- разработка и реализация алгоритмов решения тепловой и механической задач, а также выяснение степени влияния неупругих деформагий (температурных, вязко-пластических, на фронте фазового перехода) на напряженно-доформированное состояние подземных сооружений, на примере осесимметрической задачи механики, учитывая зависимость свойств ММГП от температуры;

- решение прикладных задач об определении термомеханического состояния вокруг вертикального ствола с использованием разработанных алгоритмов..

На защиту выносятся следующие научные положения:

- на тормомеханическое состояние ММГП важнейшее влияние оказывают прямые и обратные связи взаимодействия полей температур, влажностей и напряжений. Отдельные характеристики (теп-лофизические, мехаикческле и др.) могут бьпь линеаризованы в некотором интервале темпорчт/р и влажное: гой.

- в рлзнитии задлч типа Стефана и залпч механики суцес г-

венное значение имеет усовершенствование разностных схем численного моделирования, позволяющее строить эффективные алгоритма решения для задач определения ТМС массива ММГП.

- существенное влияние на напряженное состояние массива ММГП оказывают неупругиё деформации (на фронте фазового перехода, температурные), возникающие при изменении температуры ММГП. -

- при математическом моделировании ■ взаимодействия полей температур и Напряжений, целесообразно модульное построение реализации алгоритмов.

Методика доследований предусматривает анализ и обобщение литературных источников, использование метода конечных разностей при решении задачи Стефана и осесимметричной задачи о напряженном состоянии массива, программирование и ьычислитель-ные эксперименты на ЭВМ.

Научная новизна.:

- впервые сформулирована плоская осесимметрическая задача механики, описывающая напряженное состояние в окрестности протяженных цилиндрических выработок при существовании неупругих деформаций; .

- впервые разработан и реализован численный алгоритм для изучения ТЫС. массива ММГП вокруг цилиндрической выработки при' гидростатическом распределении напряжений на бесконечности при наличии деформаций кемехалическоЯ природы,- разработаны разностные схемы для решения осесимметри-

ческой* задачи механики, в котором/» в отличие от известных схем учитывается возможность существования разрывов у функций, описывающих механические характеристики и неупругио деформации;

- исследовано совместное влияние температурных, вязкопла-стическнх деформаций и деформаций на фронте фазового перехода на напряженное состояние массива ММГП вокруг цилиндрической выработки для разных типов ММГП.

Достоверность и обоснованность научны;; положений, выводов и результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечиваются:

- корректностью постановки задач о формировании температурного поля вокруг выработки и напряженно-деформированном состоянии многолетнемерздого массива;

- применением теоретически обоснованных и апробировании;'-

/

численных методов решения задач механики и теплообмена;

- систематической проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и оценкой погрешности счета программ на тестовых примерах. "

Практическая ценность диссертации. Диссертационная работа является составной частью плановых НИР Института горного дела Севера СО РАН по теме "Моделирование результатов технологических воздействий на массив иноголетнемерзлых пород" (n 0187. 0096035).

Научное значение работы заключается в том, что разработанные в ней численные методы позволяют исследовать напряженное состояние массива ММГП с учетом возникающих в нем неупругих деформаций и тем самым могут быть использованы в решении широкого круга прикладных задач.

Реализация работы. Разработанные методы и средства решения задач теплообмена и механики мерзлых горных пород нашли свое внедрение при проектировании и строительстве рудника "Интернациональный" ПНО "Якуталыаз" (фактический экономический эффект 1,2 млн.руб. Доля автора зо%).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на vu конференции научной молодежи "Вопросы геокриологии" (Якутск, 1986), X Всесоюзном семинаре "Исследование горного давления и способов охраны, капитальных и подготовительных выработок" (Кемерово, 1986), научном семинаре "Методы механики сплошной среды в теории фазовых переходов" (Киев, 1990), vi Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1991), научных семинарах лаборатории геомеханики многолетнемерзлых горных пород ИГДС СО АН СССР (Якутск, 1992).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 129 страниц машинописного текста, 24 рисунков, 7 таблиц, списка литературы из 78 наименований и з приложений.

Автор благодарит А.В.Самохина, Е.Е.Петрова, Г.И.Кулакова за участив в обсуждении отдельных этапов работы и помощь при внедрении диссертационных разработок в производство.

б

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследованиям механических процессов, происходящих н массиве ММГП, посвящены работы H.A. Цытовича, С.С. Вялопа, С.Е. Гречииева, Ю.К. Зарецкого, Е.П. Шушериной, В.Ю. Изаксона, К.'К Войтковского, С.Б. Ухова, М.М. Дубины и др.

Проведенный нами анализ показал, что многолетнемерзиые породы как объект механики обладают всеми свойствами обычной горной породы (упругими, пластическими, вязкими), однако пмет и ряд особенностей. Основными из них, требующими учета в первую очередь, являются следующие:

1. Зависимость механических свойств от температуры и влажности. Научат этой зависимоЬти не позволяет во многих случаях получать даже качественно адекватные результаты, поэтому, во-первых, решению задачи механики должно предшествовать рассмотрение вопросов теплообмена при ведении горных работ и расчет динамики температурного поля горных пород; во-вторых, необходимо иметь аналитические описания этой зависимости. Основная масса сведений о механических свойствах относится к дисперсным (но не скальным) породам, причем получены они в большинстве своем на образцах, изготовленных в холодильных камерах, хотя и совпадающих с горными породами по минералогическому и гранулометрическому составу, но не подвергнутых тем многолетним воздействиям, которые испытывает порода в натуре. Немногочисленные, правда, натурные эксперименты по определению ■механических свойств в натуре дают отличающиеся на порядок результаты, и поэтому можно подозревать, что эти неучитываемые воздействия значимы. i • •

2. Некоторые типы мерзлых горных пород склонны к аномально высоким деформациям по немеханическим причинам (увеличение объема при замерзании влаги, температурное расширение и т.п.). 3t<j обстоятельство требует решения задач механики горных пород, в которых источником напряжений является изменяющаяся во времени деформация немеханической причины.

■ Обзор также показал, что в достаточна широком интервале изменения температуры (-40 .i.+2d °С ), основной компонентой и ШШП, которые представляют собой многофазные структуры, определяющей свойства ММГП, является вода в различном агрегатной состоянии. Цытовичем H.A. установлен принцип линамичоского равновесия, согласно которому, при лцбой отрицательной томпп-ратурч в горных породах содержится некоторое, хотя бы соыи.-м

незначительное, количество воды в жидкой фазе, находящееся в равновесном состоянии с внешними воздействиями и количественно изменяющееся с изменением последних.

Воду, находящуюся в горных породах, подразделяют на свободную, то есть механически удерживаемую в структуре материала, и связанную. Под связанной водой понимают воду, удерживаемую различными связями (химическими, вследствие сил .поверхностного натяжения и т.п.). Установлено, что связанная вода в немерзлых горных породах по физическому' состоянию соответствует незамерзшей воде в мерзлых горных породах, причем чем больше энергия связи, тем при более низкой температуре соответствующая связанная вода замерзает. Свободная же вода замерзает и оттаивает при нормальном давлении при Т (для незасо-• ленные грунтов Тф=о °С). *

Таким образом, решение задач механики ММГМ должно сопровождаться решением задач тепло- и массопереноса и учетом возникающих в массиве ММГП неупругих деформаций (температурных, деформаций, вызванных замерзанием(оттаиванием) свободной поро-вой воды, и деформаций ползучести).

Процессы тепло- и массопереноса в толщах горных пород при протекании в них фазовых переходов первого рода относятся к числу наиболее сложных явлений в капиллярно-пористых средах. Разнообразие физико-механических и теплофизических свойств горных пород предопределяет сложность физической природы и механизмов переноса тепла и вещества при протекании процессов фазовых переходов.

Исследованиям процессов тепло- и массообмена в ММГП посвящены работы Э.Д.Ершова, А.А.Ананяна, С.Е.Гречищева, A.M. Глобуса, Н.С.Иванова, А.В.Лыкова, В.Г.Меламеда, А.Ф.Чудновско-го, В.С.Якупова, В.М.Ентова и др.. В настоящее время наиболее полно процессы тепло- и массопереноса описываются теорией A.B. Лыкова, которая с математической точки зрения достаточно хорошо разработана, однако она предполагает знание зависимостей количества незамерзшей воды, теплофизических и других характеристик от температуры, которые для каждого'типа горных пород являются сугубо идивидуальными. Подобные проблемы, вообще говоря, возникают при решении многих задач, связанных с ММГП.

Проведенный обзор показал,что для большинства горных пород (кроме тонкодисперсных) конвективным теплопереносом можно пренебречь и рассматривать только кондуктивный, то есть исклю-

чить из рассмотрения процесс нитрации влаги.

Важной особенностью ММГП является зависимость свойств иг температуры, которая особо остро проявляется в интервале (Тнз, Т4). В работе В.Ю. Изаксока и И.И. Ковлекова показано, что линейная модель эффективна для описания зависимости модуля упругости и коэффициента Пуассона ММГП от температуры. В качестве обобщения этих резу-льтатов предлагается квазилинейная модель зависимости свойств ММГП от температуры и влажности. Аналитическое описание предлагаемой зависимости имеет вид:

А , н < н , УТ

с о

А - А

А + —тг—тг- Ш ■ н )в < и < и , Т\< Т

о И - И о о п ф

по .

А^-А ЛН-Н W<W<W к '

А (Т. я)-

(п. - л \W~t4 и и и ,

А -А _— (Т-Т )}-_ п

ип о Н - И ^ из I w-w' Т < Т < Т.

ПО ' П О НЗ ф

А - А

А + и" ,ДС (И-И),'Н<Н<И.Т<Т

С И - И О . О П НЗ

п о

Здесь Тф - температура фазового перехода свободной поровой воды; Тнэ - температура замерзания связанной воды; Яо - влажность воздуоно-сухого состояния; ип - влажность полного влаго-

насыщения; А , А - соответственно свойство пород в талом и тп мп

мерзлом состоянии при полном влагонасыдении; Афп - свойство пород после замерзания свободной поровой влаги при полном вла-гонасыщении; Ас - свойство пород в воздуино-сухом состоянии. Преимуществом предложенной модельной зависимости является минимальный набор сведений о^свойствах, часть которых можно определить без эксперимента (для незаселенных пород равно Тф=о°С; ТНз=Тф-(50-"7°)? Ио-0.02>] . >

Совместное решение задач механики и теплопереноса в общей постановке довольно затруднительно, особенно в случае сложных границ расчетной области. Ввиду этого, в дальнейшем ограничимся частным случаем осесимметричной постановки.

Учитывая вышесказанное, примем в качестве математической модели следующую задачу типа Стефана:

се(г)|| - ), (х,ь) е о={с х (о,С)> (2)

где б - расчетная область;

сд(т) - объемная теплоемкость горных пород в виде модельной зависимости (1); \(Т) - теплопроводность горных пород в видя ниделыюи

зависимости (1);

[л(г)®Ц^мнн"и-> ^ (з)

I ле (,(1) - граница раздела фаз;

и - начальная влажность горных пород; ь - теплота фазового перехода воды; »нз - количество незамерзией воды при Т=Тф +; 9 - плотность скелета горных пород; Тф - температура замерзания свободной поровой воды. Г условиями на границах расчетной области вида

~Л(Г)1* " 01 <г-тв>

1 ле л - коэффициент теплообмена на границе

гв - температура на границе, и начальным условием

Т(*,0)«Т . х е с.

о

гл<з Тц - начальная температура горных пород.

В качестве механической модели примем модель, разработанную при предположении, что в среде существуют известные неупругие деформации. Она имеет вид дифференциального уравнения второго порядка относительно в :

„3 (Зб

* _ - - «К - о- *,<< V <4>

а ал

^ г, J

, Е . V „о н , и ло „н. ^ лн где £ =-=-, —г , е - Е ♦ В . С„ - С„ ♦ \> с .

1-\> ' 1— >> т~ г ж в в ж

Лля определения напряженного состояния приконтурного массива необходимы, дополнительно к уравнению (4), условия на напряжения на границах расчетной области. Пусть в - расчетная область. Тогда граничные условия можно представить в следующем

достаточно общем виде:

с?б <

А -?5Г+ В - С при (5)

1 ая 1 1 «•

йб ' • '

К V при <б)

где А(, В(, , (1=1,2) - известные константы.

Данная механическая модель имеет преимущество перед дру-гиии тем, что знать природу неупругих деформаций необязательно, то есть имеется возможность моделировать рЗзличные виды деформирования (упругое, пластическое, вязко-пластическое и

пр.)- Для ММГП, как уже сказано выше, необходимо учнтнвап, следующие неупругие деформации: температурные, ползучести, вызванные фазовыми переходами свободной поровой воды. Перечни-ленные деформации расчитывались по следующий формулам:

- температурные

ет - ^а(т)<зт;

- ползучести (вязко-пластические)

Л<•*"> --И1-щН',/ %>'

о, - {_§_((б,-вг>г+ <в,-б-3)г+(в<з"вг)г)' бср" -§-<в/вв* V-

П , б - вязкость и предел текучести горных порол;

- фазовые (вызванные фазовыми переходами свободной перовой воды)

V - »

о,оз п 5-—н < и < И

Н - V* кр п

п кр

0 И < И

кр

икр- (1000 п/((1-п)9) ■+ 0.09 ннз)/|,09, П — пористость горных пород;

Входящие в приведенные уравнения параметры считались зависимыми от.температуры по модельной зависимости (1).

В разработанной математической додели, описывающей 7МС массива ММГП, задача по определению доля температур является вспомогательной, так как поле напряжений никак не влияет на распределение температуры. Это, конечно, не совсем верно, так как в процессе деформирования пассива должно происходить перераспределение поровой влаги, изменение структуры скелета ИНГИ и т.п., что влечет за собой изменение теплофизпческих характеристик ММГП, а следовательно, и изменения поля температур. До настоящего времени были сделаны отдельные попнТРИ связать пористость с напряжениями через зоны разрушения, давление поровой влаги, а с ним температуры фазового перехода со средним напряжением, однако, в общем, можно заключить, что связь температуры с напряжениями детально почти совсем не изучена. Поэтому допущение о том, что температура не зависит от напряжений на данном этапе представляется вполне обоснованным.

Существует немало методов численного решения крзевнх задач механики и теплообмена. Наиболее часто применяются метол конечных элементов, метод конечных разностей, вариашюнно-раэ-_ ностные методы (метод Рэлея, Ритпа, Бубнова-Галеркина и пр.),

метод граничных элементов. Выбор метода зависит от различных причин (размерность задачи, вид краевых условий и дифферен-цального уравнения, форма расчетной области и т.п.) и во многом субъективен, то есть мнение исследователя имеет решающее значение. В работе 0. Зенкевича доказывается, что все численные апрокспмации, используемые при решении описываемых дифференциальными уравнениями, задач по существу составляют единое целое и вводится понятие "обобщенный метод конечных элементов", который охватывает все возможные варианты.

Тепловая и механическая задачи в нашем случае являются одномерными, нелинейными, с параметрами, которые могут иметь точки разрыва, то есть с математической точки зрейия достаточно простой для численного интегрирования. Наиболее простым и эффективным нам представляется метод конечных разностей. Тепловая задача решалась методом сквозного счета, а механическая -методом интегро-интерполяционного баланса.

■;Для разработанной математической модели ТМС массива ММГП была,,нарияана и оттестирована программа mir на алгоритмическом языке«,''epjRxban-77". В качестве тестовых примеров рассматривались .задачи, допускающие аналитические" решения. Расчеты показали,,„.что,¡цри решении задачи об упругом распределении напряжений _ (задана Ламе) погрешность счета не превышает 2i, при решении : задачи о температурных напряжениях - з%, при решении задачи q-релаксации напряжений - 7%.

.Произведен анализ влияния отдельных факторов на напряженное состояние крепи и массива ММГП.

В программе mir предусмотрена возможность анализировать поведение двух типов пород: обладающих симметричными свойствами - при промерзании происходит деформация расширения, а при прогаивании - усадка; и. пород , в которых фазовые деформации происходят только при промерзании. В результате счета было установлено, что при переходе изотермы Тф в породу происходит скачкообразное нагружение крепи и массива горных пород. При протаивашш напряжения в сжимающие, а б„ , б в крепи сжимаю-

Г D Z

вше, а в породе - растягивающие. На границе крепь-порода и фазовом фронте напряжения о0 и опретерпевают скачки. Величина напряжений значительна и зависит от влажности и глубины протаивання (промерзания). Последняя зависимость слабая и ею мо»1м щшнобречь. Зависимость от влажности выглядит следующим иг-.i... .(,.!•: при ьпажнпст меньшой критической w напряжения при

промерзании-протаивании не возникают. В интервале V» . зависимость напряжений от влажности линейная. Плотность скелета в практическом интервале влияет слабо. Количество незамерзией воды на напряжения фазового перехода влияет следующим образом: чем больше незамерзшей воды, тем меньше напряжения, но обычном интервале изменения инз это влияние составляет 5... 15%.

Расчет температурных напряжений показал, что:

- в однородном массиве напряжения имеют порядок 0,01... 0,05 МПа и ими можно пренебречь.

- при наличии крепи значимыми напряжения являются только в крепи (порядок о,4...о,5 МПа), в породе напряжения пренебрежимо малы.

- учет аномалии знака «< необходим: оставаясь значимым, напряжения в крепи меняют знак.

Расчеты о влияние неоднородности по модулю упругости на распределение напряжений при протаивании показали следующее, увеличение Ец (модуль Юнга породы в мерзлой состоянии) в "два раза приводит к увеличению в„ на поверхности крепи в

о

1,5 раза, на стыке порода-крепь на 15...20%, уменьшению вд на фронте фазового перехода на ю...15%. С увеличением глубины протаивания-л напряжения в крепи растут, в породе - уменьшаются.

Общий эффект учета вязкого течения - напряжения в крепи со временем возрастаит, а в породе уменьшаются. При принятой в расчете величине коэффициента динамической вязкости п = 400 МПа сут. процесс стабилизируется через 8 суток. Рассматривалось влияние параметров зависимостей модуля упругости, коэффициента динамической вязкости и предела длительной прочности от температуры. Полученные результаты показали, что детальный учет зависимостей параметров от температуры необходим, поскольку различия в напряжениях для разных вариантов достигают 2,1 раза. Наименее зависимая величина - напряжения на фазовом фронте.

С помощью разработанной математической модели произведены расчеты ТМС крепи и массива ММГП для условий рудника "Интернациональный". Установлено, что:

- наличие талого слоя способствует увеличении концентрации напряжений в крепи. При ореоле протаивания о.6 м возрастает более, чем в два раза; '

- наибольшее влияние на напряженное состояние крепи и мас-

с-ива ММГП оказывают фазовые деформации;

- учет фазовых деформаций необходимо производить только в комплексе с вязко-пластическими;

- в процессе Промерзания ранее оттаявшего слоя в крепи возникают опасные растягивающие напряжения.

Из результатов вычислительного эксперимента можно сделать следующие общие выводы:

1. Упругая модель массива ММГП при наличии ореолов прота-иванпя для расчета напряженного состояния крепи и массива для условий рудника "Интернациональный" не достаточна,

2. При эксплуатации вертикальных стволов рудника "Интернациональный" нельзя допускать протаивания, то есть наиболее безопасным является тот вариант, когда массив находится в мерзлом состоянии.

3. Для влагонасыщенных пород при промерзании необходим учет фазовых деформаций, который должен производиться комплексно с учетом релаксации напряжений.

4. Для безопасной эксплуатации вертикальных стволов рудника "Интернациональный" наиболее целесообразным является,теплоизолирование крепи и использование охлаждающих устройств для поддержания массива горных пород в мерзлбм состоянии.

5. Перерыв в работе замораживающих станций не должен пре-ьышагь 55 суток. ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлено решение научной задачи прогноза напряженно-деформированного состояния массива ММГП с учвтоц специфических особенностей ШГП для управления устойчивостью и повышения безопасности эксплуатации горных выработок.

Основные результаты выполненных исследований и разработок заключаются в следующем?

1. Рассмотрены изложеньые в йубликациях различных авторов цодшш термомеханического состояния массива ММГП при технологических воздействиях, а именно:

- механические процессам в средах, свойства которых изменяю гея во времени, и механические модели многчлетнемерзлых Порой; ■ •

- влияние фазовых деформаций;

- теоретические модели по определению нестационарного 1ишк-|..иур1|1Л'о режима б массиве ММГП с учетом фазовых перехо-

лов поровой влаги.

2. Обосновано применение квазилинейной модели зависшикли свойств ММГП от температуры и влажности. Установлено, что разумная линеаризация зависимости свойств от температуры и влажности позволяет построить универсальную модель такой зависимости хорошо совместимую с численными методами решения задач о термомеханическом состоянии массива ММГП.

3. Усовершенствована математическая модель процесса промерзания - протаивания НМГП на основе задачи Стефана. При решении задачи промерзания - протаивания учет особенностей процесса, вызываемых наличием незамерзшей воды, через теплофизи-ческие характеристики позволяет создать универсальный алгоритм решения задачи типа Стефана (при переменных-граничных условиях, при многомерности, многофронтовости и пр.)

4. Построена математическая модель напряженного состояния вокруг протяженной выработки круглого сечения, учитывающая возникающие в процессе деформирования НМГП неупругие деформации (температурные, вязко-пластические и на фронте фазового перехода)и зависимость механических свойств от температуры. Разработан алгоритм, позволяющий исследовать появление любых деформаций немеханической природы.

5. На основе метода конечных разностей и метода интегро-интерполяционного баланса разработаны алгоритмы решения тепловой и механической задачи и программы на алгоритмическом языке "гонт1УШ-77", которые реализованы в виде программного комплекса на модульной структуре. Используется программная оболочка, позволяющая использовать программу в удобном для пользователя виде.

6. Произведено математическое моделирование аварийных ситуаций при эксплуатации вертикальных стволов рудника "Интернациональный", результаты переданы в лабораторию геомеханики Института Якутниипроалмаз, что позволяет на стадии проектиро- 1 вания учитывать аварийные ситуации и вносить в проектные решения обоснованные коэффициенты запаса.

7. Установлено, что наибольшее влияние на термомеханп-ческое состояние массива ММГП оказывают фазовые деформации, которые необходимо учитывать в комплексе с вязко-пластическим.

8. Проведен детальный,численный анализ влияния различных неупругих деформаций (температурных, вязко-пластических, на фронте фазового перехода) па НДС подземных сооружений, на при-

мере осесимиетричной задачи механики.

9. Разработанные методы и средства решения задач теплообмена и механики мерзлых Горных пород нашли свое.внедрение при . проектировании и строительстве рудника "Интернациональный" ПНО "Якуталмаз" (фактический экономический аффект 1,2 млн.руб. Доля автора зо%).

Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих публикациях!

1. Слепцов В.И. Расчет времени замерзания пресной пульпы в трещинах за счет естественного холода массива //Тезисы докладов vu Якутской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. 4.2. - Якутск: 1988.- с.81

2. Слепцов В.И., Самохин A.B. Математическое моделирование термомеханического состояния массива многолетнемерзлых пород при фазовых переходах пороной влаги //ФТПРПИ - 1992.- N5.T с.из-116

3. Методическое пособие по мониторингу термоыенанического • состояния массива мерзлых пород при разработке месторождений Севера / A.B. Самохин, С.П. Шкулев, В.И. Слепцов - M.s 1992.40 С. Деп. В ВИНИТИ 23.06.92, N2047-BS2

4. Сльпцов В.И., Изаксон В.Ю., Петров Е.Е. Алгоритм реие-ния осесишлетричной задачи термомеханики горних пород //Проблемы горного производства на Севере .• - Якут.ск: изд-во ЯНЦ СО РАН, 1992.- С.85-96