Метод численного моделирования реологических процессов на контуре одиночной горной выработки

Представлен анализ влияния параметров численной модели соляных пород на результат прогноза напряженно-деформированного состояния в зависимости от геометрии выработки в условиях использования модели ползучести Друкера-Прагера. Реализация модели выполнена методом конечных элементов, в программном комплексе Simulia Abaqus с использованием вязко-упруго-пластической геомеханической модели каменной соли. Численная модель выполнена в постановке плоской деформации – 2D с дискретизацией рассматриваемой области на четырехугольные элементы. Рассматривались усредненные горно-геологические условия проходки транспортного штрека в подстилающей каменной соли на Палашерском участке Верхнекамского месторождения калийных солей. Параметрическое обеспечение реологической модели выполнено на основе результатов инструментальных наблюдений за конвергенцией породного контура одиночной горной выработки в схожих условиях. Описан метод построения численной модели, обеспечивающей отсутствие искажений в прогнозе напряженно-деформированного состояния породного массива на контуре горной выработки, пройденной в породах, склонных к проявлению реологических свойств. Установлено, что минимальные размеры численной модели должны определяться по наибольшим линейным размерам выработки и превышать его не менее чем в 16 раз. Размер конечного элемента численной модели должен определяться по наименьшему радиусу кривизны поверхности и составлять не более одной шестой его величины. Сетка конечных элементов в окрестности горной выработки должна состоять из структурированных четырех узловых элементов, а их ребра должны быть ориентированы нормально относительно поверхности.

Беликов А. А., Беляков Н. А. Метод численного моделирования реологических процессов на контуре одиночной горной выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 1. – С. 94–108. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_1_0_94.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-17-00144).

Беликов Артем Артурович¹ — аспирант, e-mail: s205046@stud.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-5051-0680,
Беляков Никита Андреевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Belyakov_NA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-9754-501X,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Беликов А.А., e-mail: s205046@stud.spmi.ru.

1. Барях А. А., Девятков С. Ю., Денкевич Э. Т. Математическое моделирование развития процесса сдвижения при отработке калийных руд длинными очистными забоями // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 13—20. DOI: 10.31897/PMI.2023.11.

2. Das A. J., Paul P. S., Mandal P. K., Kumar R., Tewari S. Investigation of failure mechanism of inclined coal pillars: numerical modelling and tensorial statistical analysis with field validations // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54, no. 6. pp. 3263—3289.

3. Барях А. А., Девятков С. Ю., Денкевич Э. Т., Михайлов В. О., Тимошкина Е. П. Геомеханическое сопровождение спутникового радарного мониторинга оседаний подработанных территорий // Горный журнал. — 2023. — № 8. — С. 40—49. — DOI: 10.17580/gzh.2023.08.06.

4. Habibi R., Moomivand H., Ahmadi M., Asgari A. Stability analysis of complex behavior of salt cavern subjected to cyclic loading by laboratory measurement and numerical modeling using LOCAS (case study: Nasrabad gas storage salt cavern) // Environmental Earth Sciences. 2021, vol. 80, no. 8, pp. 1—21. DOI: 10.1007/s12665-021-09620-8.

5. Norvatov Y. A., Petrova I. B., Kotlov S. N. Hydroecological conditions for the opencast mining of the grib diamond deposit // Water Resources. 2012, vol. 39, no. 7, pp. 798—801. DOI: 10.1134/s0097807812070081.

6. Барях А. А., Ломакин И. С., Самоделкина Н. А., Тенисон Л. О. Оценка степени нагружения междукамерных целиков при отработке двух пластов на Верхнекамском месторождении солей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 1. — С. 5—19. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_5.

7. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, no. 12, pp. 151—162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.

8. Ковальский Е. Р., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Петров Д. Н. Проблемы и перспективы внедрения многостадийной выемки руды при отработке запасов калийных месторождений // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 2. — С. 349—364. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-2-349-364.

9. Nguyen T. T., Do N. A., Anatolyevich K. M., Dias D., Van K. D., Vilner M. Numerical investigation of the horseshoe tunnels structural behavior // Indian Geotech. 2022, vol. 52, pp. 799—814. DOI: 10.1007/s40098-022-00618-y.

10. Карасев М. А., Петрушин В. В., Рысин А. И. Применение метода конечно-дискретных элементов для описания механики поведения соляных пород на макроструктурном уровне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 48—66. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_48.

11. Wagner H. N. R., Niewöhner G., Pototzky A., Hühne C. On the imperfection sensitivity and design of tori-spherical shells under external pressure // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2021, vol. 191, article 104321. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2021.104321.

12. Wagner H. N. R., Hühne C., Zhang J., Tang W. On the imperfection sensitivity and design of spherical domes under external pressure // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2020, vol. 179, article 104015. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2019.104015.

13. Baryakh A. A., Samodelkina N. A., Konosavsky P. K. Prevention of freshwater breakthrough into potassium mines // Procedia Structural Integrity. 2021, vol. 32, no. 6, pp. 17—25. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.09.004.

14. Aleksandrova T., Nikolaeva N., Kuznetsov V. Thermodynamic and experimental substantiation of the possibility of formation and extraction of organometallic compounds as indicators of deep naphthogenesis // Energies. 2023, vol. 16, no. 9, article 3862. DOI: 10.3390/en16093862.

15. Куликова Е. Ю., Баловцев С. В., Скопинцева О. В. Комплексная оценка геотехнических рисков в шахтном и подземном строительстве // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 1. — С. 7—16. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-1-7-16.

16. Zhang Y., Xiong X., Musa M., Lyu X. Analysis of a compressive strength model for FRPconfined damaged concrete columns based on the Drucker—Prager yield criterion // Structural Concrete. 2022, vol. 24, pp. 721—735. DOI: 10.1002/suco.202100584.

17. Ali H. Q., Wagner H. N. R., Akalın C., Tabrizi I. E., Hühne C., Yildiz M. Buckling and fracture analysis of thick and long composite cylinders with cutouts under axial compression: An experimental and numerical campaign // Composite Structures. 2023, vol. 324, article 117530. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.117530.

18. Taheri S. R., Pak A. Casing failure in salt rock: Numerical investigation of its causes // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2020, no. 59, pp. 3903—3918. DOI: 10.1007/s00603020-02161-9.

19. Zhou R., Guo L., Hong R. Study on energy evolution and damage constitutive model of siltstone // Crystals. 2021, no. 11, article 1271. DOI: 10.3390/cryst11111271.

20. Земсков А. Н., Лискова М. Ю., Шарипзянова Г. Х. Закономерности изменения газодинамической и геомеханической обстановки на калийных рудниках // Устойчивое развитие горных территорий. — 2021. — Т. 13. — № 3. — С. 426—432. DOI: 10.21177/19984502-2021-13-3-426-432.

21. Кашников Ю. А., Ашихмин С. Г., Кухтинский А. Э., Шустов Д. В. О связи коэффициентов трещиностойкости и геофизических характеристик горных пород месторождений углеводородов // Записки Горного института. — 2020. — № 241. — С. 83—90. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.83.

22. Котлов С. Н., Целищев Н. А., Сотник Е. А., Гилязев Д. Х. Геолого-гидрогеологические факторы формирования водопритоков в горные выработки Яковлевского рудника // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 108—113. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.16.

23. Жерлыгина Е. С., Мустафин М. Г., Васильев Б. Ю., Николаев Р. В. Методика определения линейных параметров процессов сдвижений по цифровым моделям рельефа при разработке хибинских месторождений апатит-нефелиновых руд // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 97—103. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.14.

24. Kiyani V., Esmaili A., Alijani F., Samani S., Vasić L. Investigation of drainage structures in the karst aquifer system through turbidity anomaly, hydrological, geochemical and stable isotope analysis (Kiyan springs, western Iran) // Environ Earth Sciences. 2022, vol. 81, no. 22, article 517. DOI: 10.1007/s12665-022-10627-y.

25. Shammazov I. A., Sidorkin D. I., Dzhemilev E. R. Research of the dependence of the pipeline ends displacement value when cutting out its defective section on the elastic stresses in the pipe body // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. 2022, vol. 988, no. 2, article 022077. DOI: 10.1088/1755-1315/988/2/022077.

26. Shammazov I. A., Batyrov A. M., Sidorkin D. I., Van Nguyen T. Study of the effect of cutting frozen soils on the supports of above-ground trunk pipelines // Applied Sciences. 2023, vol. 13, no. 5, article 3139. DOI: 10.3390/app13053139.

27. Васильев Б. Ю., Мустафин М. Г. Анализ и оптимизация цифровых моделей рельефа горнопромышленного объекта с открытым типом разработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 9. — С. 141—159. DOI: 10.25018/0236_149 3_2023_9_0_141.

28. Shammazov I., Dzhemilev E., Sidorkin D. Improving the method of replacing the defective sections of main oil and gas pipelines using laser scanning data // Applied Sciences. 2023, vol. 13, no. 1, article 48. DOI: 10.3390/app13010048.

29. Соловьев В. А., Аптуков В. Н., Ваулина И. Б. Поддержание горных выработок в породах соленосной толщи. Теория и практика. — Новосибирск: Наука, 2017. — 264 с.

30. Кашников Ю. А., Ермашов А. О., Ефимов А. А. Геолого-геомеханическая модель участка Верхнекамского калийного месторождения // Записки Горного института. — 2019. — № 237. — С. 259—267. DOI: 10.31897/PMI.2019.3.259.

31. Шашенко А. Н., Пустовойтенко В. П., Сдвижкова Е. А. Геомеханика. — Киев: Новий друк, 2016. — 258 с.

32. Frenelus W., Peng H., Zhang J. Creep behavior of rocks and its application to the longterm stability of deep rock tunnels // Applied Sciences. 2022, vol. 12, no. 17, pp. 1—35. DOI: 10.3390/app12178451.

33. Zhang L., Wang X. Study on nonlinear damage creep model for rocks under cyclic loading and unloading // Advances in Materials Science and Engineering. 2021, vol. 2021, article 5512972, pp. 1—10. DOI: 10.1155/2021/5512972.

34. Abdelwahab A., Chishegorov D., Ivanov S., Mikhailov A. Influence of the main operational factors on the working capacity of a mining hydraulic excavator // E3S Web of Conferences. 2021, vol. 326, article 00007. DOI: 10.1051/e3sconf/202132600007.

35. Fei W., Jie L., Quanle Z., Cunbao L., Jie C., Renbo G. A triaxial creep model for salt rocks based on variable-order fractional derivative // Mechanics of Time-Dependent Materials. 2021, vol. 25, no. 1, pp. 101—118. DOI: 10.1007/s11043-020-09470-0.

36. Deng H., Zhou H., Li L. Fractional creep model of temperature-stress-time coupled damage for deep coal based on temperature-equivalent stress // Results in Physics. 2022, vol. 39, article 105765, pp. 1—12. DOI: 10.1016/j.rinp.2022.105765.

37. Jifeng H., Zhongping G., Jinbo L., Lijuan Zh. Study on triaxial creep test and theoretical model of cemented gangue-fly ash backfill under seepage-stress coupling // Construction and Building Materials. 2021, vol. 273. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121722.

38. Асанов В. А., Паньков И. Л., Кузьминых В. С., Морозов И. А. Методические аспекты определения прочностных, деформационных и энергетических характеристик соляных пород при прямом растяжении породных образцов в лабораторных условиях // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. — 2018. — № 4. — С. 58—68. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.05.