Реализация методики комплексного исследования геомеханических процессов при отработке угольного пласта

Целью работы является разработка методики экспериментально-аналитического исследования геомеханических процессов при отработке угольного пласта в изменяющихся горно-геологических условиях. Дано описание алгоритма расчета с помощью метода конечных элементов (МКЭ) параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) для угольного пласта и вмещающих его пород с учетом влияния полостей, пликативных и дизъюнктивных геологических нарушений. Алгоритм разработан на основе пакета компьютерных программ СибГИУ для расчета параметров НДС в нелинейной постановке для сплошной неоднородной среды, включает численное решение систем дифференциальных уравнений геосреды: уравнений равновесия и упругости, условий совместности. Дополнительные модули программного комплекса позволяют учесть нелинейность деформационных процессов. Дано описание аппаратурной части системы для ведения сейсмического мониторинга в пределах шахтного поля. При обработке сейсмической информации использован показатель, включающий относительную величину сейсмической энергии события и интегральную сейсмическую интенсивность, который комплексно характеризует геодинамическое состояние массива. Проведено сопоставление результатов математического моделирования НДС массива и параметров сейсмической активности на шахте Осинниковская в период отработки выемочного столба 4-1-5-7, вмещающего пликативные и дизъюнктивные геологические нарушения.

Разумов Е. Е., Простов С. М., Петрова О. А. Реализация методики комплексного исследования геомеханических процессов при отработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 9. – С. 142–159. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_9_0_142.

Разумов Егор Евгеньевич¹ — аспирант; старший научный сотрудник, АО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела — межотраслевой научный центр ВНИМИ», e-mail: razumov@vnimi.ru,
Простов Сергей Михайлович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: psm.kem@mail.ru,
Петрова Ольга Александровна — канд. техн. наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, e-mail: ol_petrova@mail.ru,
¹ Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.

Разумов Е.Е., e-mail: razumov@vnimi.ru.

1. Galvin J. M. Ground engineering. Principles and practices for underground coal mining. Australia, Springer, 2016, 693 p. DOI: 10.1007/978-3-319-25005-2.

2. Мешков А. А., Волков М. А., Ордин А. А., Тимошенко А. М., Ботвенко Д. В. О рекордной длине и производительности очистного забоя шахты имени В. Д. Ялевского // Уголь. — 2018. — № 7. — С. 4—7. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-7-4-7.

3. Ремизов А. В., Устюгова Е. А. О технико-экономических показателях угледобывающих предприятий на примере шахт ООО «Компания «ЗапСибУголь» // Вестник СибГИУ. — 2018. — № 2 (24). — С. 14—17.

4. Ильинец А. А. Обоснование параметров управления состоянием массива вокруг выработок при подготовке выемочных участков пологих угольных пластов тремя штреками. Автореф. дис. … канд. техн. наук. — СПб.: СПбГУ, 2021. — 139 с.

5. Ануфриев В. Е., Преслер В. Т., Черданцев Н. В. Перспективы развития приборной базы геомеханического мониторинга массива в окрестности выработок при подземной угледобыче // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2011. — № 2. — С. 53—60.

6. Lubosic Z., Waclawik P., Horak P., Wrana A. The influence of in-situ rock mass stress conditions on deformation and load of gateroad supports in hard coal mine // Procedia Engineering. 2017, vol. 191, pp. 975—983. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.269.

7. Lynch R. A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways / Proceedings of the 18th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 2018, pp. 31—38.

8. Jiaxin D., Min T., Xiangyang Z., Qingwei B. Analysis of the influence characteristics of the support stability of a fully mechanized coal mining face under the hard roof mining pressure // Shock and Vibration. 2021, pp. 1—15. DOI: 10.1155/2021/1307000.

9. Кострыкин А. П., Шайдулин К. В., Ушаков Е. Н., Мерзляков П. Е. Обзор применяемых методов контроля эффективности анкерного крепления // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2010. — № 2. — С. 207—211.

10. Daigle L., Mills K. Experience of monitoring shear movements in the overburden strata around longwall panels / Proceedings of the 17th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 2017, pp. 125—137.

11. Buddery P., Morton C., Scott D., Owen N. A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways / Proceedings of the 18th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 2018, pp. 72—81.

12. Разумов Е. Е., Рукавишников Г. Д., Мулёв С. Н., Простов С. М. Основные принципы построения систем сейсмического мониторинга при отработке удароопасных угольных пластов // Горный журнал. — 2021. — № 1. — С. 8—12. DOI: 10.17580/gzh.2021.01.02.

13. Zholmagambetov N., Khalikova E., Demin V., Balabas A., Abdrashev R., Suiintayeva S. Ensuring a safe geomechanical state of the rock mass surrounding the mine workings in the Karaganda coal basin, Kazakhstan // Mining and Mineral Deposits. 2023, vol. 17, pp. 74—83. DOI: 10.33271/ mining17.01.074.

14. Xiaoping X., Hongyang L., Xinqiu F., Junwei Y., Jiangang L., Minfu L., Gang W. Deformation mechanism and control technology of surrounding rock of three-soft coal roadways under high horizontal stress // Energies. 2023, vol. 16, no. 2, article 728. DOI: 10.3390/en16020728.

15. Zhang J., Gao S., He Y., Yang T., Li T., Yan Y., Sun J. Study on the upper limit of roof failure in soft rock roadway // Shock and Vibration. 2023, vol. 2, pp. 1—20. DOI: 10.1155/2023/3837106.

16. Liu X., Sun J., Yang Y. Stress distribution and failure characteristics of stope overburden of an inclined coal seam // Geofluids. 2021, vol. 3, pp. 1—13. DOI: 10.1155/2021/5552016.

17. Гоголин В. А. Деформационные и прочностные характеристики хрупких горных пород при сжатии // Вестник КузГТУ. — 2016. — № 3. — C. 3—7.

18. Гоголин В. А., Ермакова И. А. Выбор местоположения подготовительной выработки относительно выработанного пространства с учетом геомеханических факторов // Вестник КузГТУ. — 2019. — № 1. — C. 43—48. DOI: 10.26730/1999-4125-2019-1-43-48.

19. Цветков А. Б., Павлова Л. Д., Фрянов В. Н. Нелинейная математическая модель геомеханического состояния углепородного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 5. — С. 365—370.

20. Черепов А. А., Павлова Л. Д. Оценка соответствия результатов численного моделирования и шахтных исследований параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Вестник КузГТУ. — 2017. — № 6. — C. 61—68.

21. Ройтер М., Крах М., Кислинг У., Векслер Ю. О геомеханическом состоянии очистного забоя при отработке угольных пластов на шахте «Полысаевская» в Кузбассе // ФТПРПИ. — 2017. — № 2. — С. 47—52.

22. Серяков В. М., Риб С. В., Фрянов В. Н. Напряженно-деформированное состояние угольного целика при переходе очистным механизированным комплексом зоны геологического нарушения // ФТПРПИ. — 2017. — № 6. — С. 32—40.

23. Серяков В. М., Риб С. В., Басов В. В., Фрянов В. Н. Геомеханическое обоснование параметров технологии отработки угольных пластов в зоне взаимовлияния очистного пространства и передовой выработки // ФТПРПИ. — 2018. — № 6. — С. 21—29.

24. Вартанов А. З., Петров И. В., Федаш А. В. Научно-методические основы принятия проектных решений по комбинированной отработке пластов длинными и короткими забоями на угледобывающих предприятиях // Уголь. — 2015. — № 10. — C. 30—34.

25. Никитина А. М., Фрянов В. Н. Геомеханическое обеспечение устойчивости горных выработок в неоднородном углепородном массиве. — Новокузнецк: СибГИУ, 2009. — 199 с.

26. Златицкая Ю. А., Фрянов В. Н. Геомеханическое обоснование параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности подземных горных выработок. — Новокузнецк: СибГИУ, 2006. — 160 с.

27. Петрова О. А., Васильев П. В., Фрянова О. В., Фрянов В. Н. Модель формирования напряжений, деформаций и повреждений в углепородном массиве при интеграции гравитационного и геотектонического полей напряжений / Материали за VIII международна научна практична конференция «Новината за напреднали наука — 2012». Т. 26. Технологии. — София: «БялГрадБГ» ООД, 2012. — С. 10—19.

28. Фрянов В. Н., Степанов Ю. А. Программа подготовки данных для проведения расчетов геомеханических параметров угольных шахт методом конечных элементов. Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ № 2000610937; Заявка № 2000610798 от 24.06.2000. Зарегистр. 21.09.2000. — М.: Роспатент, 2000.

29. Степанов А. В., Фрянов В. Н., Степанов Ю. А. Программа расчета геомеханических параметров для исследования взаимодействия секции механизированной крепи с углепородным массивом. Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ № 2001610645; Заявка №2001610402 от 02.04.2001. Зарегистр. 31.05.2001. — М.: Роспатент, 2001.

30. Разумов Е. Е., Простов С. М., Мулёв С. Н., Рукавишников Г. Д. Алгоритмы обработки сейсмической информации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 2. — С. 17—29. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_2_0_17.