Моделирование геомеханических процессов в структурно неоднородном геомассиве для оценки устойчивости подготовительных выработок угольных шахт

Изложены результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния структурно неоднородного геомассива при изменчивости физикомеханических свойств и глубины залегания угольного пласта и вмещающих его пород в зоне влияния подготовительной подземной выработки. В качестве критериев оценки эксплуатационной устойчивости выработки приняты конвергенция боков, кровли и почвы, форма и размеры участков предельного состояния и разрушения пород в окрестности выработки. По результатам численного моделирования обоснованы факторы, влияющие на устойчивость подземных выработок угольных шахт: прочность угля в пласте, прочность породных прослойков в угольном пласте, породах кровли и почвы, изменчивость глубины залегания угольных пластов на разных участках пликативных геологических нарушений. Практическое использование полученных результатов моделирования позволяет учитывать формы и размеры зон разрушения пород в приконтурном массиве при разработке и реализации технологических решений, обеспечивающих профилактику опасных производственных ситуаций на этапах строительства и эксплуатации подземных выработок. Выявленные зависимости конвергенции кровли, почвы и боков выработки, размеров зон предельного состояния геомассива при изменении физико-механических свойств угля и пород планируется использовать при создании интеллектуальной системы прогнозирования устойчивости подземных выработок.

Павлова Л. Д., Фрянов В. Н. Моделирование геомеханических процессов в структурно неоднородном геомассиве для оценки устойчивости подготовительных выработок угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 8. – С. 5–16. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_8_0_5.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-21-20080, https://rscf.ru/project/25-21-20080/ и гранта Кемеровской области – Кузбасса.

Фрянов Виктор Николаевич¹ —д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: zzz338@rdtc.ru, ORCID ID: 0000-0001-6803-458X,
Павлова Лариса Дмитриевна¹ —д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: ld_pavlova@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-2480-8165,
¹ Сибирский государственный индустриальный университет (СибГИУ).

Павлова Л.Д., e-mail: ld_pavlova@mail.ru.

1. Штумпф Г. Г., Рыжков Ю. А., Шаламанов В. А., Петров А. И. Физико-технические свойства горных пород и углей. — М.: Недра, 1994. — 447 с.

2. Курленя М. В., Серяков В. М., Еременко А. А. Техногенные геомеханические поля напряжений. — Новосибирск: Наука, 2005. — 264 с.

3. Курленя М. В., Миренков В. Е. Формулировка алгоритма для вычисления констант, характеризующих массив пород с выработкой // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 4. — С. 3—9. DOI: 10.15372/FTPRPI20190401.

4. Серяков В. М., Красновский А. А. Напряженное состояние крепи подготовительной выработки в неустойчивом массиве горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022. — № 6. — С. 43—52. DOI: 10.15372/FTPRPI20220605.

5. Ильясов Б. Т., Кульсантов Р. В., Неугомонов С. С., Силуянов Н. В. Оценка устойчивости закрепленных выработок на основе численного моделирования методом конечно-дискретных элементов // Горный журнал. — 2023. — № 1. — С. 118—123. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.20.

6. Chang J., He K., Pang D., Li D., Li C., Sun B. Influence of anchorage length and pretension on the working resistance of rock bolt based on its tensile characteristics // International Journal of Coal Science & Technology. 2021, vol. 8, no. 6, pp. 1384—1399. DOI: 10.1007/ s40789-021-00459-9.

7. Zhang C., Zhao Y., Han P., Bai Q. Coal pillar failure analysis and instability evaluation methods: A short review and prospect // Engineering Failure Analysis. 2022, vol. 138, article 106344. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106344.

8. Kuang Z., Qiu S., Li S., Du S., Huang Y., Chen X. A new rock brittleness index based on the characteristics of complete stress—strain behaviors // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54, no. 3, pp. 1109—1128. DOI: 10.1007/s00603-020-02311-z.

9. Sui Q., He M., He P., Xia M., Tao Z. State of the art review of the large deformation rock bolts // Underground Space. 2022, vol. 7, no. 3, pp. 465—482.

10. Жабко А. В. Механика пластического деформирования горных пород при объемном сжатии и механизм горных ударов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2022. — № 4. — С. 47—63. DOI: 10.21440/0536-1028-2022-4-47-63.

11. Frenelus W., Peng H., Zhan G. J. An insight from rock bolts and potential factors influencing their durability and the long-term stability of deep rock tunnels // Sustainability. 2022, vol. 14, article 10943. DOI: 10.3390/su141710943.

12. Ержанов Ж. С., Сагинов А. С., Гуменюк Г. Н., Векслер Ю. А., Нестеров Г. А. Ползучесть осадочных горных пород. Теория и эксперимент. — Алма-Ата: Наука, 1970. — 208 с.

13. Проскуряков Н. М. Управление состоянием массива горных пород. — М.: Недра, 1991. — 368 с.

14. Ефимов В. П. Применение интегрального критерия разрушения для определения прочности на растяжение и трещиностойкости горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 3. — С. 44—52. DOI: 10.15372/FTPRPI20190306.

15. Линник Ю. Н., Линник В. Ю., Жабин А. Б., Цих А. Взаимосвязь характеристик прочности неоднородностей в угольных пластах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 3. — С. 5—18. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_3_0_5.

16. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. — М.: Мир, 1976. — 464 с.

17. Демин В. Ф., Алиев С. В., Юсупов Х. А., Долгоносов В. Н., Портнов В. С., Ожигин С. Г. Совершенствование технологии анкерного крепления приконтурного массива при проведении горных выработок на угольных шахтах // Уголь. — 2022. — С. 56—60. DOI: 10.18796/0041-57902022-9-56-60.

18. Разумов Е. А., Венгер В. Г., Калинин С. И., Зеляева Е. А. Исследование устойчивости подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, оказавшихся в сложных аварийных ситуациях при отработке угольных пластов на шахтах Кузбасса // Уголь. — 2021. — № 11. — С. 13—18. DOI: 10.18796/0041-5790-2021-11-13-18.

19. Демин В. Ф., Абеулов Е. А., Ахматнуров Д. Р., Мусин Р. А., Замалиев Н. М. Технология применения податливых анкеров при смешанном креплении в эксплуатационных выработках // Уголь. — 2025. — № 2. — С. 100—105. DOI: 10.18796/0041-5790-20252-100-105.

20. Фрянов В. Н., Павлова Л. Д., Цветков А. Б. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2020618595. Программный комплекс для моделирования геомеханических процессов в структурно неоднородном геомассиве при взаимном влиянии системы подземных горных выработок. 2020.

21. Klishin V. I., Nikitenko S. M., Malakhov Y. V., Fryanov V. N., Pavlova L. D. Rock mass— Multifunction mobile roof support interaction in mining // Journal of Mining Science. 2021, vol. 57, no. 3. рp. 361—369. DOI: 1134/S1062739121030017.

22. Семенова И. Э., Константинов К. Н., Кулькова М. С. Оценка напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности подземных выработок глубокого заложения комплексом инструментальных и численных методов // Горный журнал. — 2024. — № 1. — С. 22—28. DOI: 10.17580/gzh.2024.01.04.