Разработка комплекса программ и численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве

• Автор: Корнев, Евгений Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новокузнецк
• Количество страниц: 166 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1.1 Анализ моделей массива горных пород

1.2 Оценка области применения аналитических и численных методов для

расчета геомеханических параметров массива горных пород под влиянием техногенных процессов

1.3 Анализ систем разработки угольных пластов подземным способом

1.4 Обоснование актуальности комплексного исследования методами математического моделирования геомеханических процессов при подземной разработке угольных месторождений короткими забоями

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ

2.1 Описание геомеханической модели массива горных пород

2.2 Разработка математической модели геомеханических процессов в
углепородном массиве
2.3 Разработка метода глобальной нумерации узлов при трёхмерной дискретизации геомеханической модели массива горных пород
2.4 Адаптация метода конечных элементов для численного решения трехмерных задач геомеханики
2.5 Оценка результатов аналитического и численного решения задачи распределения напряжений в окрестности прямоугольного поперечного сечения горной выработки
2.6 Моделирование процессов деформирования углепородного массива с учетом анизотропных свойств пород
2.7 Определение параметров анизотропии пород с учетом горногеологических факторов
2.8 Моделирование геомеханических процессов слоистого углепородного массива в зоне влияния очистного забоя
2.9 Выводы

3 РАЗРАБОТКА И ТЕСТИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГЛЕПОРОДНОМ МАССИВЕ
3.1 Систематизация программных средств для конечно-элементного анализа процессов в сплошных средах
3.2 Обоснование выбора языков программирования и сред для разработки комплекса проблемно-ориентированных программ
3.3 Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования методом конечных элементов геомеханических процессов в углепородном массиве
3.4 Описание работы комплекса проблемно-ориентированных программ «MGP program complex»
3.5 Выбор базового варианта объекта исследования для тестирования комплекса проблемно-ориентированных программ
3.6 Анализ результатов шахтных исследований распределения деформаций в угольных целиках
3.7 Тестирование комплекса проблемно-ориентированных программ по результатам шахтных исследований распределения деформаций в угольных целиках
3.8 Выводы
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ КОРОТКИМИ ЗАБОЯМИ
4.1 Исследование устойчивости междукамерных угольных целиков при камерной системе разработки
4.2 Исследование устойчивости выемочных столбов и кровли очистных заходок при камерно-столбовой системе разработки
4.3 Определение параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива при моделировании движения фронта очистных работ камерной системы разработки
4.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В последнее десятилетие на угольных шахтах России преобладают системы разработки угольных пластов длинными очистными забоями с применением интенсивных технологий, что приводит в условиях опасного производства к высокому уровню аварийности и травматизма. Одним из перспективных направлений развития технологии интенсивной и безопасной работы угольных шахт является создание способов дистанционного ведения горных работ с применением роботизированных технических средств.
Наиболее приспособленными к применению роботизированной технологии выемки угольных пластов являются системы разработки с короткими забоями, в которых обеспечивается устойчивость пород кровли при оптимальной форме камер, высокой скорости их проведения и высокоэффективной отработке пласта. Снижение интенсивности горного давления и деформации камер приводит к сокращению производственных затрат на поддержание выработок.
Для создания роботизированных систем выемки угля необходимо разработать методы и средства прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Поэтому математическое моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве в зоне влияния горных выработок с численной реализацией в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для обоснования параметров систем разработки с короткими забоями является актуальной научной задачей.
Диссертация выполнена при поддержке Министерства образования РФ по Государственному заданию на выполнение НИР «Разработать и внедрить систему мониторинга и научного сопровождения геомеханических и газодинамических процессов при разработке угольных месторождений в сейсмически активных районах» (№ 5.3832.2011, 2012г.); в рамках
Государственного контракта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка механизма рационального управления взаимодействующими геомеханическими и газодинамическими

Выбор той или иной системы разработки короткими забоями, а также технологии очистных работ зависит от ряда горно-геологических и горнотехнических факторов, к основным из которых следует отнести устойчивость пород кровли и склонность к пучению почвы пласта, прочностные свойства угля, глубина разработки, газоносность, мощность и угол падения пласта (таблица 1.5).
Таблица 1.5 - Горно-геологические и горнотехнические факторы
Признак Камерная система разработки Камерно- столбовая система разработки Система разработки короткими столбами
Устойчивость пород кровли Устойчивые породы Породы средней устойчивости Породы средней устойчивости
Пучение пород почвы Весьма склонные к пучению Средней склонности к пучению Средней склонности к пучению
Прочность угля Выше 8 МПа Выше 10 МПа Выше 10 МПа
Глубина разработки До 300 м До 300 м До 500 м
Г азоносность До 10 м3/т До 13 м3/т До 13 м3/т
Наибольшее распространение имеет система разработки короткими столбами.
Камерная система позволяет обеспечить высокие техникоэкономические показатели в тех случаях, когда непосредственно над пластом залегают устойчивые и весьма устойчивые породы. Это позволяет снизить потери угля за счет увеличения пролетов камер и уменьшения ширины междукамерных целиков. При менее устойчивых породах эффективность камерной системы снижается.
Камерно-столбовую систему разработки обычно применяют при породах кровли средней устойчивости. Система предопределяет высокую эффективность очистных работ в тех случаях, когда отработка межкамерных столбов происходит без крепления кровли в заходках.