Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов

Розглянуті можливості та особливості застосування обчислювальних комплексів імітаційного моделювання ІГТМ НАН України, які динамічно розвиваються і успішно використовуються для вирішення складних геомеханічних і гірничотехнічних задач....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Булат, А.Ф., Слащев, И.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2012
Назва видання:	Геотехническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53910
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 99. — С. 16-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-53910
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-539102014-01-29T03:14:39Z Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. Розглянуті можливості та особливості застосування обчислювальних комплексів імітаційного моделювання ІГТМ НАН України, які динамічно розвиваються і успішно використовуються для вирішення складних геомеханічних і гірничотехнічних задач. The possibilities and features of computer systems simulation IGTM NAS of Ukraine, which rapidly developed and successfully used to solve complex geomechanical and mining problems. 2012 Article Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 99. — С. 16-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53910 622.831.312 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Розглянуті можливості та особливості застосування обчислювальних комплексів імітаційного моделювання ІГТМ НАН України, які динамічно розвиваються і успішно використовуються для вирішення складних геомеханічних і гірничотехнічних задач.
format	Article
author	Булат, А.Ф. Слащев, И.Н.
spellingShingle	Булат, А.Ф. Слащев, И.Н. Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов Геотехническая механика
author_facet	Булат, А.Ф. Слащев, И.Н.
author_sort	Булат, А.Ф.
title	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
title_short	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
title_full	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
title_fullStr	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
title_full_unstemmed	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
title_sort	разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53910
citation_txt	Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 99. — С. 16-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT bulataf razrabotkakompʹûternyhsistemmatematičeskogomodelirovaniâgeomehaničeskihprocessov AT slaŝevin razrabotkakompʹûternyhsistemmatematičeskogomodelirovaniâgeomehaničeskihprocessov
first_indexed	2025-07-05T05:19:13Z
last_indexed	2025-07-05T05:19:13Z
_version_	1836782981153292288
fulltext	16 2) "Аналіз заходів"; 3) "Аналіз маршрутів евакуації"; 4) "Аналіз маршрутів руху ГВГСС". Охарактеризована структура є рекомендаційною. Проте включення її в тех- нологічну схему інформаційної технології вибору заходів щодо ліквідації ава- рійних ситуацій на вугільних шахтах може служити основою для організації її упровадження на підприємствах Мінвуглепрому України. ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. Правила безопасности в угольных шахтах. НПАОП 10.0-1.01-10. Утверждены приказом Государственно- го комитета Украины по промышленной безопасности, охране труда и горному надзору от 22.03.2010 № 62; Зарегистрированы в Министерстве юстиции Украины 17 июня 2010 за N 398/17693.- Режим доступа : http://ohranatruda.in.ua/pages/4955/ УДК 622.831.312 Академик НАН Украины А.Ф. Булат, канд. техн. наук И.Н. Слащев (ИГТМ НАН Украины) РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Розглянуті можливості та особливості застосування обчислювальних комплексів іміта- ційного моделювання ІГТМ НАН України, які динамічно розвиваються і успішно викорис- товуються для вирішення складних геомеханічних і гірничотехнічних задач. DEVELOPMENT OF COMPUTER SYSTEMS MATHEMATICAL MODELING GEOMECHANICAL PROCESSES The possibilities and features of computer systems simulation IGTM NAS of Ukraine, which rapidly developed and successfully used to solve complex geomechanical and mining problems. Одной из основополагающих задач горной науки является прогнозирование геомеханических условий отработки угольных пластов, которое служит фунда- ментом для разработки эффективных технологий горных работ, обеспечиваю- щих высокую производительность и безопасные условия труда горняков. Моделирование сложных физических процессов невозможно без современ- ной вычислительной техники и новых методов расчетов, обработки, анализа и визуализации больших массивов данных. Значительные достижения в этом на- правлении были получены в США (HACA, Ливерморская национальная лабо- ратория, Национальные суперкомпьютерные центры), Великобритании (Резер- фордовская лаборатория, Университет Манчестера), Германии (Фраунгоферов- ский институт машинной графики), Швейцарии (Женевский университет, Ло- заннская высшая политехническая школа) и др. Технологии компьютерного анализа, чаще всего, основаны на показавших себя с наилучшей стороны в ин- женерных расчетах методах конечных и граничных элементов [1, 2], конечных разностей [3], начальных напряжений [4], которые являются универсальными, в том числе для моделирования процессов, происходящих в породном массиве. 17 Широко известные программные продукты, – вычислители метода конеч- ных элементов (МКЭ), графические пре- и постпроцессоры, – разрабатываются в университетах и ведущих компьютерных корпорациях Германии (Siemens PLM Software, «Solid Edge»© и «Femap»© для «NX Nastran»©), США (Structural Research и SolidWorks Corporation, «Сosmos»© и «SolidWorks»©), Великобрита- нии (Sunrise Systems, «Pipenet»©), России (SCAD Soft, «SCAD» ©), Украины (Лира САПР, «Лира»©) и др. Вместе с тем, коммерческие программные продук- ты предлагаются пользователям с закрытым исходным кодом, ограниченным, а зачастую невозможным потенциалом расширения или изменения приложений. Поэтому их весьма сложно использовать для решения горнотехнических задач, так как породный массив имеет специфические особенности: сложную струк- туру, слоистость, флюидонасыщенность, изменяющиеся характеристики физи- ко-механических свойств, в том числе пористости, трещиноватости и др. Эти факторы можно адекватно смоделировать только в том случае, если установле- ны закономерности протекания физических процессов в породном массиве, а вычислительный комплекс специализирован для решения геомеханических за- дач и имеет открытый исходный программный код, с помощью которого гор- ный инженер может корректно выбрать деформационную модель среды и инте- гральные характеристики вычисляемых параметров. Следует отметить, что имеющиеся коммерческие программы достаточно дорогие и узкоспециализированы для оценки состояния материала деталей ма- шин, механизмов, корпусов самолетов, элементов ракетной техники и др., по- этому в основном предназначены для расчетов исключительно упругих сред. В частности, это является большой проблемой при расчетах геомеханических процессов в осадочных горных породах, так как для фактических условий раз- работки угольных шахт упругие модели дают крайне приближенную картину распределения напряжений только на момент времени, когда происходит упру- гая деформация. При этом отсутствует возможность корректного расчета неуп- ругих деформаций, реологических процессов, эволюции напряженно- деформированного состояния (НДС) во времени, процессов движения газона- сыщенных флюидов и др. Применение этих программ для прогноза НДС по- родного массива почти всегда приводит к некорректным результатам, которые не подтверждаются реальными измерениями в горных выработках. В области моделирования НДС породного массива ИГТМ НАН Украины находится на передовых рубежах и имеет значительный научный потенциал, всю необходимую экспериментальную базу, современные вычислительные комплексы с возможностью их настройки под любую горнотехническую ситуа- цию. На сегодняшний день эффективно решаются задачи прогноза геомехани- ческого состояния породного массива и отработки элементов наиболее эффек- тивных технологий горного производства с учетом максимально возможного количества факторов, влияющих на процессы деформирования и разрушения пород под влиянием горных работ. Решения выполняются с применением ме- тодов численного анализа, основанных на новых достижениях в области геоме- 18 ханики сложноструктурных флюидонасыщенных сред и оптимизации объект- но-ориентированных технологий программирования. Современные компьютеры, которые сейчас имеются практически на всех шахтах и в научно-исследовательских институтах, дают возможность предъяв- лять новые требования к программам, созданным для имитационного модели- рования процессов, происходящих в отрабатываемом массиве горных пород. На данный момент, если программное обеспечение реализует упругую модель, это является только базовой минимальной функцией. Новые программные ком- плексы должны адекватно и с достаточной точностью описывать реальную не- упруго деформируемую систему, иметь высокую производительность вычисле- ний, автоматизацию ввода и вывода информации, интерактивность и удобную для восприятия визуализацию данных. В отделе проблем разработки месторождений на больших глубинах разрабо- тан вычислительный комплекс «ГЕО-РС»© (геомеханика с разупрочнением и скольжением), который реализует технологию компьютерного анализа состоя- ния породного массива совмещенными процедурами методов конечных эле- ментов и начальных напряжений (МКЭ-МНН). Он состоит из специализиро- ванных компьютерных программ, включающих обширную базу данных физи- ко-механических свойств горных пород для различных горно-геологических условий отработки угольных пластов и позволяющих значительно повысить качество решений широкого спектра геомеханических задач. Отличительными особенностями программного комплекса является обеспечение расчетов упру- гого, упругопластического и различных видов запредельных напряженно- деформированных состояний структурно-неоднородного породного массива, а также учет разупрочнения и скольжения слоев пород, особенностей и законо- мерностей протекания деформационных процессов в трещиноватом водо- и га- зонасыщенном породном массиве. Данное программное обеспечение соответ- ствует, а в некоторых аспектах превосходит мировые аналоги. В отделе вибропневмотранспортных систем и комплексов совместно с на- учно-инженерным центром «Экология-Геос» разработан программно- технологический комплекс «Технология стратегического планирования разви- тия горных работ»©, посредством которого осуществляется выбор рациональ- ных технологических параметров при решении конкретной горнотехнической задачи [5]. Методология базируется на общих положениях механики сплошной среды и механизма сдвижения слоистого разномодульного породного массива. В отделе горной термоаэродинамики и автоматизированных систем на основе метода конечных элементов создан компьютерный комплекс, позволяющий решать объемные задачи [6]. Апробация вычислительных комплексов на шах- тах ГП «Селидовуголь», «Макеевуголь», «Свердловантрацит», «Донецкая угольная энергетическая компания», ОАО «Павлоградуголь» и др. показала их высокую производственную необходимость и экономическую эффективность. Рассмотрим методы, возможности и особенности применения вычислитель- ного комплекса имитационного моделирования «ГЕО-РС»©, который на сего- 19 дняшний день динамично развивается и успешно используется для решения сложных геомеханических и горнотехнических задач. Оценка работоспособности комплекса и достоверности метода математиче- ского моделирования была выполнена на примерах верификации параметров рассчитанной модели с точными теоретическими решениями, с областями сдвигов по радиальным поверхностям скольжения, а также с лабораторными и шахтными экспериментами [7]. Установлено, что погрешность расчета модели по сравнению с точным теоретическим упругим решением, даже при грубой разбивке схем, не превышает 2-3 %. Сравнения МКЭ-МНН с точным аналити- ческим решением Л.А. Галина по определению зоны неупругих деформаций в идеальной упругопластической среде Рейса-Прандтля в негидростатическом поле напряжений для выреза круговой формы показали, что величина относи- тельной погрешности находится в пределах 1-9 %, рис. 1. Погрешности обу- словлены крупной дискретизацией тестовых расчетных схем и использованием в задаче Л.А. Галина частного случая критерия Кулона-Мора (критерия Треска, угол внутреннего трения φ=0). Точность повышается на порядок при больших значениях напряжений и когда расчетная схема дискретизирована на большее количество элементов. Рис. 1 – Сопоставление ЗНД модели и точного решения Л.А. Галина. Исследования показали, что расхождение деформаций в моделях и лабора- торных экспериментах связаны с идеализацией микроструктурного строения пород. Несмотря на то, что в отличие от лабораторных данных модельный экс- перимент не показывает микроструктурных разрушений реальных образцов по- род, тем не менее, он хорошо моделирует состояние участков массива, сопоста- вимых с размерами элементов расчетной схемы, при этом погрешность реше- ний не превышает 10 %. При решении сложных горных задач и определении напряжений, зон неупругих деформаций, границ зон дезинтеграции слоистых пород и смещений контура выработок погрешность решений находится в пре- делах 15-25 %, что обусловлено разбросом физико-механических свойств ре- альных пород. Особенности расположения зон концентрации напряжений, их конфигурация, вид линий скольжения и граничных линий между участками различных по типу деформаций соответствуют теоретическим представлениям о напряженно-деформированном состоянии структурно-неоднородного пород- 20 ного массива и неоднократно верифицированы по данным шахтных экспери- ментов в горных выработках угольных шахт [8]. Вычислительный комплекс включает: базу свойств горных пород, предна- значенную для оперативного анализа, корректировки и ввода в расчетный мо- дуль МКЭ значений свойств пород; препроцессор, выполняющий функции под- готовки данных; вычислитель базовой процедуры МКЭ; программу анализа предельных и запредельных состояний модели; постпроцессор, выполняющий функции контроля данных и визуализации результатов расчета. Определение граничных условий задачи – это важная часть моделирования, поэтому база данных содержит физико-механические и деформационные свой- ства пород, их структурные и петрографические особенности. Выборка и ото- бражение параметров производится посредством графического интерфейса, что позволяет значительно сократить затраты времени на подготовку и решение за- дач. Препроцессор выполняет автоматическую дискретизацию исследуемой об- ласти и задание условий нагружения модели, создает и конвертирует массивы исходных данных для расчета смещений узлов и других параметров поля на- пряжений, выводит в файл исходную информацию. Вычислитель базовой про- цедуры МКЭ необходим для соблюдения равновесия системы путем миними- зации потенциальной энергии внутри расчетной области. Он включает функции формирования матриц жесткости элементов и системы, решения системы ли- нейных уравнений, определения значений поля упругих перемещений, напря- жений и деформаций. Блок анализа и контроля данных выполняет функции расчета предельных и запредельных состояний элементов модели, интеграль- ных параметров НДС пород, избыточных газовых давлений и параметров сис- тем магистральных трещин. Постпроцессор производит сохранение и графиче- скую визуализацию рассчитанных данных, экспорт числовых значений в сис- темы MS Excel и Mathcad для дополнительной обработки. Программа анализа данных использует целый ряд программных функций для расчета интегральных характеристик НДС породного массива. Это позво- ляет анализировать состояние среды не только по критерию Кулона, который хорошо себя зарекомендовал и широко применяется для расчетов, но и по кри- териям Сен-Венана, Мизеса, Боткина, Треска, параметру Надаи-Лоде, прово- дить анализ состояния пород внутри зон неупругих деформаций, использовать инварианты составляющих тензора напряжений, рассчитывать интенсивность роста (понижения) информативных параметров, определять потенциальную энергию и другие интегральные характеристики поля напряжений, что на сего- дняшний день является новым и перспективным. Перечень оценочных характе- ристик массива постоянно пополняется новыми апробированными на практике параметрами. В результате анализа комплекса информативных параметров мы получаем наиболее достоверную картину НДС массива пород. Отдельно остановимся на программе визуализации, которая обеспечивает наглядное представление данных в иллюстрациях и графиках, является необхо- димой для понимания научно-исследовательских разработок, обеспечивает не- посредственную связь между учеными и производственниками, их взаимопо- 21 нимание, в том числе адекватность оценки выполненных работ. Следует отме- тить, что в отчете Национального научного фонда США «Визуализация в науч- ных вычислениях» 1987 года, было обращено внимание на то, что целью вы- числений являются не числа, а понимание, постижение, проникновение в суть изучаемого процесса, то есть привлечение к анализу способности человека ви- деть и понимать изображения [9]. Такой подход не только облегчает работу ученых и взаимодействие их с инженерно-техническим персоналом шахт, но и дает надежду на развитие научной популяризации, лучшего восприятия обще- ственностью результатов научных работ. Поэтому в графическом постпроцес- соре реализован режим интерактивной визуализации параметров НДС массива функциями прямого доступа библиотек DirectX Graphics или OpenGL, которые имеют уровень абстракции оборудования HAL (Hardware Abstraction Layer), по- зволяющий настроить работу системы на любом аппаратном обеспечении вне зависимости от изготовителя оборудования. Для повышения скорости и удоб- ства работы пользователя в интерактивном режиме также выполняются созда- ние, перемещение, копирование, удаление, изменение свойств узлов и элемен- тов модели. Работа может быть организована в нескольких окнах одновремен- но, что позволяет сопоставить результаты расчета и внести корректировку в ис- ходные данные, используя визуальное представление предыдущих решений. Для всех режимов работы системы автоматически создается дифференцирован- ная цветовая шкала, позволяющая дискретно или плавно отображать уровни значений параметров, выделять диапазоны и поддиапазоны рассчитанных дан- ных, отсекать краевые эффекты, производить сглаживание и др. Все функциональные части системы объединены в многооконный главный интерфейс, рис. 2. Графическая среда пользователя совместно с расчетным мо- дулем МКЭ составляют единый интерактивный комплекс, позволяющий сфор- мировать расчетную модель, выполнить ее расчет, провести числовой и графи- ческий анализ результатов в постпроцессоре или во внешнем приложении. Ин- терфейс, сценарии взаимодействия пользователя с системой, функции контроля исходных данных и анализа результатов полностью унифицированы, что обес- печивает логичную последовательность выполнения операций моделирования. Кроме визуализации больших массивов данных, основная часть требований к компьютерным программам сводится к обеспечению скорости решения по- ставленных задач. Производственники не хотят и не могут ждать месяцами ре- зультатов решения, а конкуренция на научном рынке становится жестче с при- ходом в него зарубежных ученых после 90 годов. В этом направлении отделом проблем разработки месторождений на больших глубинах специально для про- изводства разработана методология экспресс-определения НДС породного мас- сива [10]. В отличие от сложных геомеханических задач, которые можно ре- шать только мощными вычислительными комплексами, оперативный прогноз осуществляется в режиме реального времени синхронно с графической обра- боткой информации. То есть у инженера на производстве появилась возмож- ность использовать современные научные достижения непосредственно на ра- бочем месте при оперативной оценке горнотехнических ситуаций. Несмотря на 22 то, что экспресс-метод идеализирует породный массив, он использует необхо- димое количество основных факторов и сложную технологию компьютерного анализа данных, которая достаточно близко соответствует реальному деформа- ционному процессу и достоверна для оценочных расчетов. 1 – меню программы; 2 – панель управления файлами данных и редактором свойств пород; 3 – панель управления результатами расчетов, 4, 5 – основная и дублирующая панели кор- ректировки схем; 6 – панель управления отображением и интегральными параметрами НДС модели; 7 – окно вывода результатов; 8 – дифференцированная цветовая панель Рис. 2 – Многооконный графический интерфейс системы. Как один из примеров практического использования расчетного комплекса можно привести реализацию концепции эффективного поддержания подгото- вительных выработок, которая заключается в снижении разрушающего дейст- вия горного давления на крепь путем использования эффекта поэтапного во- влечения породного массива в охранную конструкцию, несущая способность и режим работы которой, соответствуют ожидаемым смещениям и нагрузкам на различных временных этапах взаимодействия системы «крепь-породный мас- сив». В результате исследований [11] обоснованы каждый из элементов и вся система комбинированного поддержания подготовительных выработок, вклю- чающая средства анкерного и рамно-анкерного крепления, литые полосы из быстротвердеющих материалов, крепи усиления, охранные бутовые полосы с различными параметрами нагружения и деформирования, рис. 3. 23 а) б) Уровни максимальных главных напряжений, МПа Рис. 3 – Оценка состояния штрека, закрепленного рамно-анкерной крепью: а – с жесткими охранными конструкциями; б – с литой полосой из быстротвердеющих материалов. Программный комплекс «ГЕО-РС»© отличается от известных возможностью определения геометрических и энергетических параметров зон разрушения в массиве (длины, объема, потенциальной энергии, интенсивности деформирова- ния, кинетики зон зарождения микро- и макроразрушений), систем техноген- ных магистральных трещин, высокой точностью результатов. Анализ состояния трещиноватого массива базируется на исследованиях [12], которыми установ- лено, что оценку параметров систем дополнительных трещин при решении не- упругих задач рационально выполнять на основе определения ориентации и ве- личины сдвигающих сил. Это связано с тем, что под действием изменяющихся во времени и пространстве нагрузок, обусловленных перераспределением по- лей напряжений и зон неупругих деформаций, в зонах с площадками сдвига равных направлений фиксируется активизация процесса распространения маги- стральных трещин, преимущественно по направлениям структурных дефектов, сопровождающаяся формированием блочных структур. Разработанная матема- тическая модель позволяет на основе расчета процедурами имитационного мо- делирования МКЭ-МНН возможных направлений площадок скольжения и раз- рыва связей в элементах модели определять зоны зарождения и ориентацию в геопространстве магистральных трещин с учетом природных структурных де- фектов в реальном массиве пород, рис. 4. Несмотря на определенную идеализацию, которая свойственна любому про- цессу моделирования, предложенная технология компьютерного анализа обла- дает существенными преимуществами, так как открывает новые широкие воз- можности по определению зональности и интенсивности трещиноватости, гра- ниц зон дезинтеграции слоистых пород, прогнозированию наиболее вероятной ориентации и распространения магистральных трещин, а, следовательно, по- 24 зволяет детально и корректно выполнять расчет параметров сложных геомеха- нических и газодинамических процессов. – разрыв сплошности в условиях растяжения (1); – неупругие деформации в условиях неравнокомпонентного сжатия (2); – зона упругого деформирования; – ориентация площадок скольжения в элементах расчетной схемы; – магистральные трещины; – направление подвигания очистного забоя. Рис. 4 – Анализ магистральных газопроводящих трещин вокруг очистного забоя (пласт m3, ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько», горизонт 1300 м). Преимущества вычислительного комплекса в полной мере проявляются при анализе НДС газонасыщенных сред. Метод основан на использовании законо- мерностей разрушения массива под совместным действием сил горного и газо- вого давлений [13]. Реализация данного метода проводится имитационными процедурами МКЭ-МНН и включает автоматический расчет внутрипластовых газовых давлений в зависимости от степени разрушения пород на базе линейно- го, параболического и полиномиального видов функций снижения горного и газового давлений в зоне разупрочнения. Расчет более полно учитывает физи- ческую сущность деформационных процессов в газонасыщенном массиве гор- ных пород, и, вследствие этого, обеспечивает повышенную достоверность про- гноза. Элементы разработанной технологии моделирования вошли в апробиро- ванный экспериментально-аналитический метод комплексного анализа состоя- ния газонасыщенного породного массива [14], важными преимуществами кото- рого являются определение серией расчетов идеализированных квазистацио- нарных состояний насыщенной газом геосреды направлений распространения 25 систем газопроводящих магистральных трещин, их верификация по результа- там мониторинга в горных выработках и сравнительный анализ полученных данных с решением серии обратных задач. Метод прогноза состояния газонасыщенных сред использует методы нераз- рушающего геофизического контроля породного массива, такие как электро- метрический, виброакустический, радиометрический и др., которые на сего- дняшний день в полной мере апробированы ИГТМ НАН Украины и отражены в нормативно-технической документации [15]. По данным моделирования опре- делены зоны наибольшего и наименьшего сжатия, которые использованы для оценки снижения или увеличения проницаемости массива, рис. 5. В результате практического применения метода был решен ряд актуальных научных и при- кладных задач: установлены новые закономерности изменения геомеханиче- ского состояния и газовой проницаемости газонасыщенного породного массива под влиянием очистных работ и реакция на данные процессы пространствен- ных и временных параметров различных по геологической структуре источни- ков газовыделения; установлены параметры заложения дегазационных сква- жин, в том числе на конкретные источники газовыделения; разработан стандарт Минуглепрома Украины, который регламентирует условия и параметры при- менения новых схем дегазации в угледобывающей отрасли Украины [16]. Рис. 5 – Прогноз изменения максимальных главных напряжений (МПа) и ЗНД за период ус- тановившихся сдвижений (стрелками показаны направления газовых потоков). Не менее эффективно разработанный комплекс показал себя при анализе водонасыщенных сред [17]. Установлены закономерности изменения НДС мас- сива в зависимости от характеристик обводненности подготовительных выра- боток для условий шахт ОАО «Павлоградуголь», оценена степень влияния во- донасыщенности пород на проявления горного давления в выработках. На ос- нове математического моделирования и шахтных наблюдений спрогнозирован 26 характер деформаций влагонасыщенных пород. Предложенные мероприятия обеспечивают снижение размеров зоны неупругих деформаций в боках вырабо- ток и уменьшение величины конвергенции пород, что подтверждает их эффек- тивность в условиях влагонасыщенных пород. Эти результаты стали возмож- ными благодаря использованию разработанных методов, приборов и про- граммного обеспечения, которые длительное время применяются именно для решения горнотехнических задач. Технология компьютерного анализа апробирована и показала высокую эф- фективность: на пластах m3 и l4 ПАТ «Шахта им. Н.С. Засядько» при обоснова- нии способов обеспечения устойчивости выработок, оперативном прогнозе ориентации в пространстве потоков свободного метана, обосновании схем и способов подземной дегазации; на пластах c4 и c5 шахт «Самарская» и «Павло- градская» при оценке надежности систем комбинированного крепления; на пласте h7 шахты «Нестор» при оценке способов управления горным давлением; на шахтах им. К.А. Румянцева, им. А.И. Гаевого и др. при разработке новых ти- пов крепей и средств охраны выработок с учетом специфики исходного напря- женного состояния и деформационных процессов в трещиноватом породном массиве. Таким образом, ИГТМ НАН Украины, имеет всю необходимую экспери- ментальную базу, современные вычислительные комплексы и возможность их развития и настройки под любую горнотехническую ситуацию. Отличительны- ми особенностями программного обеспечения являются возможности расчетов: упругого, упругопластического и различных видов запредельных напряженно- деформированных состояний структурно-неоднородного породного массива; разупрочнения и скольжения слоев пород; параметров и особенностей протека- ния деформационных процессов в трещиноватом обводненном и газонасыщен- ном массиве пород; магистральных трещин; геометрических и энергетических параметров зон неупругих деформаций. Технологии компьютерного анализа НДС породного массива широко апробированы по данным натурных измере- ний и обеспечивают высокую точность результатов при решении сложных практических задач горного дела. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Галагер, Р. Метод конечных элементов. Основы : пер. с англ. / Р. Галагер. – М. : Мир, 1984. – 428 с. 2. Самарский, А.А. Теория разностных схем / А.А. Самарский. – М. : Наука, 1977. – 656 с. 3. Крауч, С. Методы граничных элементов в геомеханике твердого тела: Пер. с англ. / С. Крауч, А. Старфилд. - М.: Мир, 1987. - 328 с. 4. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич – М. : Мир, 1975. – 238 с. 5. Технология стратегического планирования развития горных работ / А.Ф. Булат, А.И. Волошин, О.В. Рябцев, А.И. Коваль // Уголь. – 2011. № 2. – С. 22-24. 6. Виноградов, В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок / В.В. Вино- градов. – К. : Наук. думка, 1989. – 192 с. 7. Слащев, И.Н. Моделирование трещиноватости как основа прогноза газового режима добычных участков глубоких шахт / И. Н. Слащев, М. Ю. Иконников // Сб. науч. трудов НГУ. – Днепропетровск : РВК НГУ, 2008. – № 31. – С. 236-245. 8. Слащев, И.Н. Практический опыт повышения эффективности угледобычи и безопасности труда в слож- ных горно-геологических условиях / И.Н. Слащев, С.А. Курносов, Е.А. Слащева и др. // Научный вестник НГУ. – Днепропетровск : РИК НГУ, 2009. – № 11. – С. 20-25. 27 9. Visualization in Scientific Computing, Special Issue, ACM SIGRAPH Computer Graphics, V. 21, N 6, Novem- ber 1987. 10. Слащева, Е.А. Экспресс-оценка напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг геотехнических объектов / Е.А. Слащева // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. – Вып. 68. – С. 269-277. 11. Слащев, И.Н. Прогноз устойчивости систем комбинированного поддержания подготовительных выра- боток в сложных горно-геологических условиях глубоких шахт / И.Н. Слащев // Сб. науч. трудов НГУ. – Днеп- ропетровск: РИК НГУ, 2010. – № 35, Том 1. – С. 67-77. 12. Слащев, И.Н. Оценка техногенной трещиноватости методами математического моделирования / И.Н. Слащев // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. – Вып. 85. – С. 239-250. 13. Слащев, И.Н. Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач совре- менными компьютерными технологиями / И. Н. Слащев // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. – Вып. 88. – С. 112-118. 14. Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А.Ф. Булат, С. А. Курносов, И. Н. Слащев [и др.] // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. – Вып. 59. – С. 10-21. 15. Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь - породный массив" вертикаль- ных стволов: Дополнение к «Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД 12.18.073-88» / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский и др. – Донецк: ООО "Лебедь", 1999. - 42 с. 16. Дегазація вугільних пластів та вміщуючих порід з застосуванням газозбірної виробки. Схеми дегазації : СОУ 10.1.05411357.006:2007. – [Чинний від 2008-04-01] / А.Ф. Булат, А.Т. Курносов, С.А. Курносов, І.М. Сла- щов та ін. – Офіц. вид. – К. : Мінвуглепром України, 2007. – 31 с. 17. Слащева, Е.А. Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состоя- ние и проявления горного давления в выработках / Е.А. Слащева // Геотехническая механика. – Днепропет- ровск: ИГТМ НАНУ, 2009. – Вып. 83. – С. 111-122. УДК 622.24.537.528 Д-р техн. наук Б.В. Бокий (ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько») ДЕГАЗАЦИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОБУРЕННЫМИ ИЗ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК СКВАЖИНАМИ На підставі аналізу результатів вимірів змісту метану в виробленому просторі, запропо- новане алгоритм розрахунків параметрів дегазації DEGASSING OF THE PRODUCED SPACE BY THE MINING HOLES BORED FROM MOUNTAIN MAKING Based on analysis of measurements of methane produced in the space offered by calculation al- gorithm parameters degassing В Донецком бассейне более половины выемочных участков шахт III катего- рии по метану (и выше) проветриваются по схемам, предусматривающим отвод исходящих вентиляционных струй на выработанное пространство. При больших нагрузках на очистные забои дегазация окружающего углепородного массива оказывается недостаточной для обеспечения допустимого по ПБ содержания метана в утечках воздуха через выработанное пространство. В результате выхо- да из него взрывоопасной смеси на границе выработанного пространства с вен- тиляционной выработкой образуются слоевые скопления. Наиболее часто такие ситуации возникают при схемах проветривания с подсвежением исходящей струи, которые позволяют увеличивать добычу угля без увеличения расхода воздуха через лаву. При таких схемах воспламенение метана и пожары в возду- хоотводящих выработках происходили неоднократно. В связи с этим исклю- чить подобную опасность возможно путем применения одновременно дегазации

Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханических процессов

Репозитарії

Схожі ресурси