Особенности решения геомеханических задач для условий обводненного газонасыщенного массива горных пород

Abstract

Компьютерное моделирование – наиболее предпочтительный и эффективный способ отработки параметров технологии горных работ. Вместе с тем, достоверный прогноз напряженно-деформированного состояния обводненного газонасыщенного массива горных пород затруднителен по причине применения чрезмерно идеализированных моделей и обобщенных эмпирических зависимостей. Такие расчеты часто приводят к некорректным результатам, которые не подтверждаются измерениями в выработках шахт. В статье установлены особенности методологии решения задач, касающиеся оценки геомеханического, гидрогеологического и газового состояний породного массива, прогноза путей миграции водных и газовых потоков. Предложено: применять упругопластическую модель породного массива с учетом его разрушения; определять ориентацию систем магистральных трещин на основе учета слоистости массива и природных структурных дефектов; проводить учет давления газа на основе определения начала разрушения породного массива силами горного давления и дополнительного пересчета новых разрывов связей в элементах модели под воздействием газовой составляющей, действующей в зоне разрушения во всех направлениях равномерно по закону Паскаля; проводить учет влияния водонасыщения заданием гидростатических сил, которые суммируются по каждому элементу расчетной схемы, а также снижением параметров прочности глинистых пород по установленным зависимостям. Принципы математического моделирования процессов разрушения обводненного газонасыщенного породного массива реализованы в новых функциях программного комплекса "GEO-RS", который разработан в ИГТМ НАН Украины.

Комп'ютерне моделювання - найбільш прийнятний і ефективний спосіб відпрацювання параметрів технології гірничих робіт. Разом з тим, достовірний прогноз напружено-деформованого стану обводненого газонасиченого масиву гірських порід ускладнений через застосування надмірно ідеалізованих моделей і узагальнених емпіричних залежностей. Такі розрахунки часто призводять до некоректних результатів, які не підтверджуються вимірюваннями у виробках шахт. У статті встановлено особливості методології вирішення задач, що стосуються оцінки геомеханічного, гідрогеологічного та газового станів породного масиву, прогнозування шляхів міграції водних і газових потоків. Запропоновано: застосовувати пружнопластичну модель породного масиву з урахуванням його руйнування; визначати орієнтацію систем магістральних тріщин на основі врахування шаруватості масиву та природних структурних дефектів; проводити облік тиску газу на основі визначення початку руйнування породного масиву силами гірського тиску і додаткового перерахунку нових розривів зв'язків в елементах моделі під впливом газової складової, що діє в зоні руйнування у всіх напрямках рівномірно за законом Паскаля; проводити урахування впливу водонасичення завданням гідростатичних сил, які підсумовуються по кожному елементу розрахункової схеми, а також зниженням параметрів міцності глинистих порід за встановленими залежностями. Принципи математичного моделювання процесів руйнування обводненого газонасиченого породного масиву реалізовані в нових функціях програмного комплексу "GEO-RS" , який розроблений в ІГТМ НАН України.

Computer simulation is the most preferable and effective method for determining parameters of the mining technology. However, it is difficult to predict reliably a stress-strain state of the watered and gas-saturated rock massif due to usage of existing overly idealized models and generalized empirical dependences, which often lead to incorrect results and, as a rule, are not confirmed by measurements in the mine workings. The article presents a specific methodology for solving the problems relating to the assessment of geomechanical, hydrogeological and gas states of the rock massif and predicting migration routes of the water and gas flows. The authors propose: to use an elastoplastic model of the rock massif in view of its failure; to determine orientation of the main crack systems basing on identification of the massif layering and natural structural defects of the massif; to calculate gas pressure by taking into account a moment when the rock massif starts to failure under the action of the rock pressure and basing on additional new re- calculation of the bond breakage in the elements of the model under the impact of a gas component which acts uniformly in all directions in the failure zone in accordance with the Pascal's law; to determine impact of the water saturation by assigning the hydrostatic forces which are summed by each element of the design scheme, as well as by reduced strength parameters of the clay rocks by the established dependence. The mathematical modeling principles of failure processes in the watered and gas-saturated rock massif were implemented in functions of the new software system "GEO-RS", which was designed by the M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics, NAS of Ukraine.