Моделирование кинетики трещинообразования на основе оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород

Актуальность работы. Обеспечение безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых является приоритетным направлением исследований в горных науках (геомеханика, геотехнологии). Согласно существующим представлениям процесс подготовки разрушения в виде горных ударов и других, более крупных сейсмических явлений, происходит длительное время и в большом объёме горных пород. Кинетическая природа разрушения позволяет говорить о нём как о процессе, протекающем во времени.

В настоящее время в различных научных центрах проводятся исследования горных пород с целью определения их деформационных характеристик при запредельном деформировании. Параметры запредельного деформирования характеризуют остаточную несущую способность уже разрушенной породы и поэтому имеют большое значение при решении вопросов устойчивости и безопасности разрабатываемых месторождений.

В последнее время уделяется большое внимание разработке и совершенствованию бесконтактных методов контроля и прогнозирования состояния разномасштабных блоков горных пород. Одним из таких методов является метод регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ). Образование, рост и распространение трещин в деформируемых материалах с различными скоростями нагружения представляют интерес для описания процессов хрупкого разрушения горных пород в условиях их залегания. Результаты исследований кинетики электромагнитных импульсов и их параметров на разных этапах деформирования позволили перейти от качественного описания к определению характеристик и прогнозу грещинообразования при разрушении горных пород.

Применение информационных технологий позволяет ускорить обработку экспериментальной информации и получение выводов о процессах, происходящих при разрушении горных пород.

В связи с вышеизложенным моделирование кинетики трещинооб-разования горных пород на разных этапах деформирования на основе современных информационных технологий является актуальной научной и практической задачей.

Цели и задачи диссертации. Разработка методики оценки физико-механических свойств и имитационной кинетической модели трещи-нообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

В рамках поставленной цели выделены следующие задачи.

1. Разработать и реализовать в виде комплекса программ методику оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

2. Разработать, обосновать и программно реализовать имитационную кинетическую модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования.

3. Систематизировать экспериментальные данные регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород и разработать информационную структуру для хранения и обработки результатов лабораторных испытаний и вычислительных экспериментов.

4. Разработать и программно реализовать алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах разрушения горных пород, провести вычислительные эксперименты по моделированию кинетики трещинообразования при допредельном и запредельном деформировании образцов горных пород и проверить адекватность результатов вычислительных экспериментов данным лабораторных испытаний.

Методы выполнения работы. Системный анализ и обобщение результатов регистрации импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород, методы имитационного моделирования, геомеханики и механики деформируемого твердого тела при исследовании процессов разрушения и деформирования образцов горных пород, методы численного анализа и математической статистики при обработке экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях на образцах горных пород, современные компьютерные технологии и технологии автоматизированных баз данных для хранения и обработки результатов лабораторных и вычислительных экспериментов, иллюстраций и полученных оценок характеристик разрушения образцов горных пород на разных этапах деформирования.

Научная новизна.

1. Методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств, базирующаяся на результатах лабораторных испытаний и отличающаяся от существующих тем, что позволяет получать оценки свойств на запредельном этапе деформирования разрушаемых горных пород.

2. Кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на уравнении С. Н. Журкова, скорректированном с учетом релаксации действующих напряжений.

3. Структурирование экспериментальной информации с выделением сущностей «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс» и на этой основе систематизация данных по разрушению образцов горных пород, результатов моделирования, и оценки физико-механических свойств.

4. Впервые полученные обратные экспоненциальные зависимости относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема на запредельном этапе деформирования от крепости по М. М. Протодъяконову, позволяющие прогнозировать процесс трещинообразования при разрушении горных пород на этом этапе.

Практическая значимость состоит в том, что разработанные методика, модель и комплекс программ позволяют оперативно в автоматизированном режиме определять оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических и линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования и статистические оценки параметров кинетической модели трещинообразованиямоделировать процесс трещинообразования в разрушаемых образцах горных пород на запредельном этапе деформирования с учетом релаксации действующих напряженийосуществлять доступ к информации XML-хранилища научному персоналу с помощью веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы в режиме удаленного доступа.

Реализация результатов. Результаты диссертации (методика и пакет программ) были использованы при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом ГУ КузГТУ, при оценке физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С. Д. Тихова (бывшая Никитинская), что подтверждено актом о внедрении и справками об использовании результатов диссертации, приведенными в приложении.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносится:

1. Модуль программного комплекса, реализующий алгоритмы численных оценок физико-механических свойств горных пород, представляет собой программную основу «экспресс-метода» оперативной оценки этих свойств.

2. Разработанная кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования позволяет проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации действующих напряжений.

3. Спроектированная информационная структура для хранения и обработки модельных и экспериментальных данных базируется па выделенных сущностях «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс», имеющих иерархическую структуру и положенных в основу представления данных созданного XML-хранилища.

4. Модуль программного комплекса, реализующий имитационную модель кинетики трещинообразования, позволяет прогнозировать количество возникающих трещин при разрушении горных пород на разных этапах деформирования со средней относительной погрешностью не более 20%.

Личный вклад автора составляет: разработка методики оценки физико-механических свойств образцов горных пород, разработка кинетической модели трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, систематизация экспериментальных данных по разрушению образцов горных пород и параметрам импульсного электромагнитного излучениявпервые полученные зависимости значений относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема от крепости по М. М. Протодъяконову.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 12−14 апреля 2005 г.), V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 8−10 декабря 2005 г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 8−11 декабря 2005 г.), VII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям с участием иностранных ученых (Красноярск, 1−3 ноября 2006 г.), V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2006)» (Томск, 10−11 ноября 2006 г.), I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (Прокопьевск, 15 марта 2007 г.), ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, апрель 2005;2007гг.), научных тематических семинарах в Кемеровском государственном университете (январь 2008 г.) и в Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Н. Э. Баумана (март 2008 г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК, 3 работы в рецензируемых научно-технических журналах, 6 работ в материалах конференций и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и отраслевой регистрации разработки.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Содержание изложено на 140 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 99 наименований, 4 приложения.

5.5 Выводы.

1. При увеличении крепости горной породы по М.М. Протодъ-яконову значения относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема экспоненциально уменьшаются. У образцов горных пород с крепостью по М. М. Протодъяконову равной 4,5, интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется. А у образцов горных пород с максимальной крепостью равной 20, на запредельном этапе деформирования не изменяется активационный объем.

2. Теоретические значения накопленного количества образующихся микротрещин, смоделированные на основе кинетического уравнения прочности на разных этапах деформирования, совпадают с экспериментальным количеством микротрещин в пределах средней относительной погрешности 20%. При этом величина погрешности уменьшается по мере накопления экспериментальных данных.

3. Адекватность результатов моделирования кинетики трещинообразования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по F-критерию Фишера при 5% уровне значимости и 20 степеням свободы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по разработке методики оценки физико-механических свойств и имитационной кинетической модели трещинообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Разработана и описана методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформировании по результатам лабораторных испытаний.

2. Разработана кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на скорректированном уравнении С. Н. Журкова, учитывающем, что при допредельном деформировании сжимающее напряжение увеличивается до предела прочности, а при запредельном уменьшается, и позволяющая проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации.

3. В результате систематизации экспериментальных данных регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород были выделены сущности, положенные в основу представления данных XML-хранил ища: «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс». Иерархическая структура выделенных сущностей позволяет хранить и обрабатывать неограниченное количество ее элементов и осуществлять изменения их описаний.

4. В качестве информационной структуры для хранения и обработки результатов лабораторных экспериментов было спроектировано и разработано структурированное хранилище данных, основанное на.

XML, на которое было получено свидетельство ОФАП № 7964 от 27.03.07, ВНТИЦ № 50 200 700 649 от 03.04.07 «XML-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения». Разработанная спецификация структурированных данных позволяет систематизировать экспериментальную информацию по разрушению образцов горных пород, результаты моделирования и оценки физико-механических свойств, учесть различные настройки и нюансы, возникающие в рамках экспериментов.

5. Методика оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород, алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах деформирования и имитационная кинетическая модель трещинообразования были реализованы в виде комплекса программ, на который было получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 007 611 938 от 14.05.2007 «Автоматизированная информационно-расчетная система для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения».

6. Архитектура программного комплекса позволяет осуществлять доступ к ней научному персоналу с помощью реализованного веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы. Программный комплекс состоит из 5 основных и 4 вспомогательных веб-сервисов, содержащих 62 метода, а также из 43 модулей веб-приложения.

7. При увеличении крепости горной породы по М.М. Протодъяко-нову значения относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема экспоненциально уменьшаются. У образцов горных пород с крепостью по М. М. Протодъяконову равной 4,5, интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется. А у образцов горных пород с максимальной крепостью равной 20, на запредельном этапе деформирования не изменяется актива-ционный объем.

8. Теоретические значения накопленного количества образующихся микротрещин, полученные в результате имитационного моделирования на основе кинетического уравнения прочности на разных этапах деформирования, совпадают с экспериментальным количеством микротрещин в пределах средней относительной погрешности 20%. При этом величина погрешности уменьшается по мере накопления экспериментальных данных.

9. Адекватность результатов моделирования кинетики трещинообразования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по /^-критерию Фишера при 5% уровне значимости.

10. Эффективность разработанных методики и комплекса программ подтверждена результатами их использования для оценки физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С. Д. Тихова, и при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры РМПИ ГУ КузГТУ.