Подбор возможных методов исследования

Одними из первых методов, которыми овладело человечество, были натурные методы исследования – методы получения данных непосредственно в выработках шахт. Конфигурация и размеры возникающих вокруг выработок зон неупругих деформаций и разрушения пород, степень изменения их состояния и свойств в этих зонах влияли на распределение смещений и давления на крепь, и зависят от многих факторов. Неоднородность процесса деформирования пород и преобразования горного давления весьма существенны и должны учитываться методикой проведения экспериментов.

Проведение вблизи с существующей выработкой смежных и сопрягающихся выработок вызывает увеличение напряженного состояния пород, а, следовательно, рост неупругих деформаций и разрушения массива, его смещений в выработку и давления на крепь. Поэтому важной задачей исследований является установление размеров областей существенного влияния выработок друг на друга и количественных показателей этого влияния в различных условиях проведения выработок. Особенно большое влияние на изменение состояния массива горных пород оказывают очистные выработки, в результате чего в значительных областях нарушается его первоначальное равновесие и происходит интенсивное деформирование, разрушение и сдвижение пород. При ведении очистных работ породы под и над выработанным пространством разгружаются от веса налегающей толщи, в результате чего образуется область пониженных напряжений (область разгрузки). Над краевыми же частями выработанного пространства в оконтуривающем горном массиве образуется область повышенных напряжений (область концентрации). Выработки, расположенные в толще пород кровли и впоследствии подрабатываемые, подвергаются сначала вредному воздействию опорного давления, а затем деформациям в результате сдвижения пород в сторону выработанного пространства.

Из изложенного следует, что для решения задач управления горным давлением, заключающихся в выборе наиболее благоприятных условий расположения выработок, способа их охраны от негативного воздействия других выработок и определения требуемого типа и параметров крепи, в процессе проведения натурных исследований необходимо определение:

- структуры и физико-механических свойств массива горных пород и их изменений под воздействием горных работ;
- исходного напряженного состояния массива и его изменения в процессе ведения горных работ;
- смещений пород на контуре и в области влияния выработок;
- силового и кинематического взаимодействия пород с крепью, то есть величин давления на крепь;
- абсолютных величин перемещений массива в результате его подработки очистными выработками.

Физическое моделирование применяют при изучении процессов, механизм которых еще недостаточно выяснен. В этом случае на основании самых общих уравнений, описывающих процесс, составляются уравнения связей и подготавливается модель для проведения экспериментов. В простейшем случае модель воспроизводит изучаемое явление с сохранением физической природы и геометрического подобия, а отличается от натуры лишь размерами одноименных параметров и скоростью протекания исследуемого процесса. По мере накопления данных о закономерностях процесса в дальнейшем составляются уже достаточно обоснованные уравнения связей, которые в критериальной форме используют для практических расчетов процесса в натуре.

Однако результаты единичного опыта не могут быть непосредственно распространены на случаи, для которых краевые условия и значения физических параметров полностью не совпадают с теми, которые имели место при экспериментальном исследовании. Такая ограниченность области применения результатов экспериментального исследования выдвигает вопрос о возможности обобщения опытных данных. Эту возможность открывает метод моделирования, позволяющий распространить результаты единичного опыта по изучению какого-либо процесса на целую группу процессов, подобных исследованному. Для того чтобы процесс в модели был подобен процессу в натуре, необходимо и достаточно выполнить следующие требования:

- модель должна быть геометрически подобна образцу;
- процессы в модели и образце должны принадлежать к одному классу и описываться одинаковыми законами;
- начальные и граничные условия в модели должны быть реализованы с совпадением безразмерных начальных и граничных условий модели тождественно с такими же условиями в натуре;
- одноименные безразмерные параметры, входящие в дифференциальные уравнения, начальные и граничные условия в модели и в натуре должны быть соответственно равны.

Помимо этого, все краевые условия по признаку их реализации можно разделить на две категории: управляемые и неуправляемые. Первые могут быть реализованы по желанию экспериментатора; вторые же реализуются независимо от исследователя в силу самой природы физического явления. Для того чтобы безразмерные неуправляемые краевые условия в модели и натуре были тождественно одинаковыми, достаточно осуществить равенство безразмерных одноименных параметров, входящих в соответствующие краевые условия модели и натуры. Управляемые краевые условия должны быть заданы на протяжении всех пространственных границ исследуеемого процесса. Поэтому прежде чем приступить к моделированию, необходимо сформулировать управляемые краевые условия для натуры и выбирать их таким образом, чтобы они были достаточно хорошо известны.

Теоретическое моделирование применяют для изучения тех процессов, которые имеют математическое описание. В этом случае исследования интересующего нас явления производят на моделях-аналогах, имеющих иное физическое содержание, но процессы, происходящие в них и в натуре, описываются аналогичными дифференциальными уравнениями. Современной науке известны аналогии между электрическими, механическими, тепловыми, гидродинамическими, акустическими, диффузионными и другими физическими явлениями. С помощью теоретических методов моделирования решаются многие краевые задачи, охватывающие широкий круг разнообразных научных и инженерных вопросов, в том числе и горных: рациональная разработка месторождений полезных ископаемых, теплообмен в горных породах и выработках, фильтрация подземных вод, диффузия газов, проветривание горных выработок, водопонижение, газификация, замораживание, увлажнение и другие вопросы.

В отличие от физического моделирования, при котором на уменьшенной модели, но в той же среде, что и в реальном объекте, изучают сам процесс, при математическом моделировании исследуют дифференциальное уравнение, описывающее тот или иной процесс. В большинстве случаев аналитическое решение таких дифференциальных уравнений невозможно. Поэтому уравнения с помощью различных приближенных методов приводят к виду, при котором они могут быть решены на быстродействующих электронных вычислительных машинах или смоделированы электрическими сеточными машинами. В последнем случае имеет место математическое моделирование. При этом не надо иметь сложные физические модели, на изготовление которых затрачивается много труда, средств и времени. Кроме того, сам процесс моделирования и изучения того или иного явления значительно ускоряется. Однако применение математического моделирования становится возможным только в тех случаях, когда известно математическое описание процесса и найдены аналогии.

Выводы

1. Натурные методы дают возможность получить наиболее точную информацию о напряженно-деформированном состоянии породных массивов. Эти методы неравнозначны по своим возможностям. Они отличаются большой базой измерений, трудоемкостью, требуемой точностью и теоретическим обоснованием. Общий недостаток этих методов состоит в больших стоимостных затратах на их реализацию. Они применимы при наличии подземных выработок, скважин, шпуров, сложной измерительной аппаратуры и отработанной технологии по их реализации. Как правило, ограниченно число измерений, по которым трудно воссоздать закономерности напряженного состояния массива горных пород в целом. Полученные результаты могут быть распространены только на исследуемое месторождение. Таким образом, производственные методы всегда необходимы, но недостаточны для прогнозного определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки и массива горных пород.

2. Методы физического моделирования или лабораторные методы, к которым относятся моделирование на эквивалентных материалах, центробежное моделирование, оптико-поляризационный метод, методы структурных моделей и электроаналогии, позволяют исследовать механические процессы. При этом они дают хорошие результаты только для сравнительно простых горно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений. Возможности этих методов, несмотря на их интенсивное развитие, ограничены, главным образом, техническими причинами. Они отображают качественную «картину» происходящих процессов.

3. Современное состояние разработки теоретических методов позволяет лишь приближенно определять абсолютные значения напряжений в горном массиве, так как кроме собственно измерений достоверность и точность определения напряжений существенно зависят от методики исследований и анализа их результатов. Уровень адаптации моделей таков, что они не дают приемлемых для практической деятельности результатов по определению параметров конструктивных элементов систем разработки в конкретных горно-геологических условиях того или иного месторождения с увеличением глубины разработки.