РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ СВЯЗАННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРИМЕНЕНИИ К ГЕОМЕХАНИКЕ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА :

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено аналіз робіт, присвячених проблемам дослідження складних процесів геомеханіки, що відбуваються в породному масиві при веденні гірничих робіт на вугільних шахтах.

Вперше зв'язані процеси гідродинаміки і механіки ґрунтів було відображено в теорії консолідації ґрунтів K. Tерцагі ще в 40-х роках, потім в теоріях термо- і поро-пружності. Але лише останнім часом, завдяки розвитку обчислювальної техніки і чисельних методів розрахунку, стало можливим математичне моделювання складних процесів із взаємним впливом. За допомогою скінченноелементних програм вирішено окремі зв'язані задачі в різних галузях науки, в тому числі геомеханіки. Зв'язаними задачами геомеханіки займалися вчені Китаю, США, Великобританії, Росії та багатьох інших країн. В Україні ця проблема вирішувалася в Інституті механіки ім. С.П.Тимошенко, МакНДІ, УкрНДМІ, Національному гірничому університеті, ІГТМ НАН України, Дніпропетровському університеті залізничного транспорту.

Проблеми механіки рідини і пористого твердого тіла – найпоширеніші із зв'язаних задач геомеханіки – розглядалися вченими Франції, Італії, Бельгії, Японії, Китаю, Англії, США, Австралії. Серед цих задач – моделювання фільтрації підземних вод у порушених гірських породах, що застосовується при розрахунках стійкості укосів, підземних виробок і конструкцій. На основі механіки твердого тіла і газової динаміки фахівцями України, Росії, Китаю, США розроблено моделі зв'язаних процесів пружно-пластичної деформації вугілля і фільтрації метану. Метан у вугільних пластах є важливим природним ресурсом енергії, хоча його загоряння та викиди становлять серйозну небезпеку і залишаються невирішеною проблемою під час видобутку вугілля і при веденні інших гірничих робіт. У Росії розв’язано рівняння фільтрації рідини і деформації пористого середовища при моделюванні гідророзриву вугільного пласта шляхом нагнітання в пласт води через свердловину, пробурену з земної поверхні. Дослідження процесу руйнування бетону на трифазних моделях проводили вчені Італії та Франції, враховуючи кінетику хімічних реакцій в залежності від температури і вологості, а також тиск набухання з боку продуктів хімічних реакцій на скелет. Дослідження термо-гідромеханічних і хімічних процесів в ненасичених ґрунтах проводили в Англії, Італії, США. Дослідження гідромеханічних і хімічних процесів в пісковиках – у Франції та Росії. Для моделювання дії вибуху, що викликає у твердому середовищі поширене руйнування, вирішено зв'язані задачі газової динаміки і механіки твердого тіла. Розв’язок реалізовано за допомогою комбінованого методу скінченних і дискретних елементів. Аналіз зв'язаних теплових потоків і напружено-деформованого стану геологічних пористих середовищ був розроблений на основі законів збереження імпульсу, маси і енергії механіки суцільних середовищ в Китаї.

Незважаючи на це, існуючі методи розрахунку геомеханічних, фільтраційних та інших параметрів не дають відповіді на питання, як об'єднати всі необхідні, фізичні і технологічні, процеси в єдину систему, якими з них і коли можна знехтувати для спрощення задачі, який критерій оцінки ступеня впливу кожного з процесів, що відбуваються в досліджуваної області, на загальний результат. Велике число зв'язаних процесів геомеханіки ще не досліджено.

З проведеного аналізу зроблено висновок, що більш глибоке дослідження складних процесів, що відбуваються у вуглепородному масиві при веденні гірничих робіт, може йти шляхом розвитку теорії зв'язаних фізико-механічних процесів стосовно геомеханіки вуглепородного масиву: визначення ступеня впливу кожного із зв'язаних процесів на загальний результат і необхідності його урахування у сумісній постановці задачі, розробки методів розрахунку параметрів не досліджених раніше зв'язаних фізичних та технологічних процесів, встановлення закономірностей їх спільного перебігу.

З урахуванням викладеного сформульовано мету і задачі досліджень.

У другому розділі наведено математичні моделі основних процесів, що відбуваються у вуглепородному масиві навколо гірничої виробки: зміни напружено-деформованого стану твердого тіла; несталої дифузії та фільтрації рідини або газу; двофазної фільтрації рідини і газу; теплообміну і впливу вибуху з відповідними початковими і граничними умовами. Щоб отримати розв’язок наведених диференційних рівнянь на певному відрізку часу, застосовується скінченно-різницевий метод. Системи матричних рівнянь розв’язуються за допомогою ітераційного методу спряжених градієнтів.