S&T (Super Tehnology)

К вопросу оценки геомеханического состояния протяженных выработок с учетом стохастической изменчивости свойств горных пород.

Оценка состояния выработок и прогноз поведения вмещающих пород в течение их эксплуатации требуют рассмотрения конкретной геомеханической ситуации, которая очень часто не имеет аналогов в сходных условиях. В этом случае нельзя экстраполировать накопленные данные наблюдений и использовать имеющийся опыт, в большинстве случаев условия проведения и поддержания выработок следует рассматривать как специфические и выполнять прогноз состояния подземного сооружения на основе глубокого детального геомеханического мониторинга. Его составными частями являются контроль состояния породного массива и прогнозирование возможных изменений этого состояния на основе фундаментальных законов физики, а также известных методов механики твердого деформируемого тела. Однако часто за пределами исследований остается стохастический характер функционирования подземного сооружения.

Устойчивость подземной выработки определяется рядом факторов, численные характеристики которых могут меняться случайным образом. К ним относятся, прежде всего, деформационные и прочностные характеристики породной среды, параметры, характеризующие внешние нагрузки, геомеханические параметры подземных конструкций.

Изменчивость физико-механических характеристик породной среды является следствием ее естественной неоднородности и наблюдается даже в пределах одной литологической разности при испытании образцов горных пород.

Целью данной работы является разработка методики оценки устойчивости горных выработок, позволяющей учесть на основе многофакторного анализа неоднородность породного массива, которая проявляется в стохастическом разбросе свойств вмещающих пород.

Авторами собран и обобщён большой объем статистической информации, содержащийся в различных источниках и касающийся количественных оценок физико-механических свойств углевмещающих пород.

Статистический анализ данных об основных деформационных и прочностных характеристиках горных пород позволил установить следующие тенденции:

- показатели свойств исследуемых горных пород обладают значительной (не ниже 45%) вариацией значений относительно среднего;

- соответствующие эмпирические законы распределения имеют, в основном, характер, который по асимметрии и эксцессу отличается от нормального.

Изменчивость свойств горных пород зависит от многих факторов. Одним из основных среди них является наличие трещиноватости, которая по разным причинам, всегда присуща породному массиву. В связи с этим было обращено внимание на следующее обстоятельство. При изготовлении породных образцов те из них, которые пересечены трещиной, разрушаются до начала испытаний и в обычных испытаниях не участвуют. Тем самым нарушается представление о прочности и деформируемости реального породного массива.

Исследование влияния трещин на статистические распределения количественных признаков.

В обоснован способ определения статистических характеристик для так называемого, «исправленного» вариационного ряда, в который условно добавлены элементы, содержащие макродефекты.

Зависимость моментов «исправленного ряда» от расстояния между трещинами

Таким образом, установлено, что наличие трещин в реальном породном массиве не только оказывает влияние на статистические оценки исследуемого признака, но и меняет закон распределения вероятностей всех его механических параметров. Причем степень отклонения эмпирического закона распределения от симметричного определяется расстоянием между трещинами.

Разработка алгоритма моделирования изменчивости свойств горных пород в геомеханических расчетах.

С учетом указанного выше обстоятельства, на основе метода конечных элементов разработан алгоритм учета стохастической изменчивости физико-механических свойств породного массива. Для отражения случайного распределения свойств в каждой точке массива использованы приемы имитационного моделирования, суть которого состоит в проведении на вычислительной машине статистического эксперимента с моделью исследуемой системы.