Анотація до роботи:

Солодянкін О.В. Геомеханічні моделі в системі геомоніторингу глибоких вугільних шахт та способи забезпечення стійкості протяжних виробок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальностями: 05.15.04 – «Шахтне та підземне будівництво»; 05.15.09 – «Геотехнічна і гірнича механіка». Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2009.

Робота присвячена розробці комплексу методологічних підходів як складовій системи геомоніторингу, для виробок в умовах великих деформацій приконтурного породного масиву. Отримала подальший розвиток біфуркаційна модель здимання порід підошви. Запропонований новий критерій здимання у вигляді критичних зміщень контура виробки. Досліджена нова деформаційна модель розвитку зміщень породного контура виробки після її проведення. Обгрунтована нова фізична модель формування вивалу в умовах можливого утворення значних зон деформацій порід навколо виробок. Запропонована імовірнісна модель стійкості протяжної виробки, що враховує фактор часу для визначення оптимальних витрат на спорудження і забезпечення тривалої стійкості виробок при необхідності проведення багатократних ремонтів. Обгрунтована нова концепція управління геомеханічними процесами у протяжних виробках глибоких шахт та запропоновані відповідні способи забезпечення їх стійкості для попередження катастрофічних і тяжких наслідків при будівництві і експлуатації.

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане рішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення стійкості виробок, в умовах великих статичних деформацій приконтурного масиву, що полягає в розробці комплексу методологічних підходів, як складової системи геомоніторингу, і включає обґрунтування критеріїв стійкості, встановлення нових закономірностей розвитку деформаційних процесів і впливу параметрів управління, розробку нових способів забезпечення стійкості виробок, що має важливе значення для підвищення ефективності і безпеки гірничих робіт в умовах глибоких шахт.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз досвіду експлуатації і сучасного стану підземних об'єктів показав, що подальший їх розвиток пов'язаний з вирішенням таких проблем, як забезпечення ефективного управління і підвищення безпеки ведення гірничих робіт може бути виконане за допомогою застосування системи геомеханічого моніторингу, що дозволяє виконувати контроль, діагностику і прогноз геомеханічної ситуації на об'єкті. Один з функціональних комплексів цієї системи повинен забезпечувати стійкість протяжних виробок в умовах очікуваних великих статичних деформацій приконтурного масиву, що призводить до тяжких наслідків.

2. На основі рішення задачі про критичний радіус ЗНД - критерію здимання при уявленні явища здимання порід підошви, як факту втрати пружнопластичної стійкості породного масиву (біфуркаційна модель проф. О.М. Шашенка), запропонований зручніший з практичної точки зору критерій здимання – у вигляді критичних зміщень порід підошви и^*.

3. Встановлені основні залежності величини критичних зсувів порід підошви від критичного радіусу зони непружних деформацій r_L*, середнього об'ємного розширення порід , показника умов розробки , коефіцієнта бічного тиску і ступеня літогенезу порід (ступені крихкості) .

4. На основі узагальнення і аналізу результатів шахтних досліджень проявів гірського тиску навколо протяжних виробок, встановлена залежність зсувів контуру виробки від часу її експлуатації Т, показника умов розробки , коефіцієнта бічного тиску, напряму проведення виробки і кута нахилу породних шарів.

5. Запропонований новий підхід до оцінки параметрів деформації приконтурного масиву після проведення виробки, що подає цей процес у вигляді двох етапів – першого, що характеризує велику швидкість зміщень контуру і деформації породного масиву, і другого – для якого характерні невеликі зміщення, і деформації, що розвиваються повільно. Для запропонованої моделі встановлені лінійні залежності для першого і другого етапів, а також визначена умовна точка стабілізації геомеханічних процесів і відповідна їй величина зміщень контуру.

6. Результати шахтних досліджень, виконані в підготовчій виробці шахти «Алмазна» ДХК «Добропіллявугілля», дозволили встановити, що збільшення несущої здатності кріплення, позначається лише на зменшенні зміщень в зоні приконтурних зруйнованих порід на глибину до 2 м. На деформацію порід, що залягають за зоною зруйнованих порід і до межі ЗНД, збільшення несущої здатності кріплення помітного впливу не дає, зважаючи на незначні деформації і розпушення порід в цій зоні. Ефект від підвищення несущої здатності кріплення тим вищий, чим більша зона зруйнованих порід навколо виробки і ступінь їх розпушення. Аналітичними дослідженнями встановлено, що для найнесприятливіших умов розробки (велика величина ЗНД) найбільший ефект досягається при збільшенні несучої здатності кріплення до 120-150 кПа. Подальше збільшення несучої здатності не призводить до істотного зниження зміщень порід. Проте значно збільшується вартість кріплення і способів охорони виробки.

7. Виконані дослідження зміщень порід приконтурної області масиву. В результаті встановлена залежність абсолютних зміщень, радіальних і тангенціальних деформацій порід за глибиною зони непружних деформацій і визначені межі зон зруйнованих і пластично деформованих порід.

8. Аналіз результатів досліджень вивалоутворення в гірничих виробках вугільних шахт дозволив встановити фізичну модель (механізм) формування і реалізації вивалу в умовах великих деформацій приконтурного масиву, горно-геологічні і гірничотехнічні чинники, провокуючі вивал.

9. У розрахункових схемах, що розглядають навантаження на кріплення як результат сумісної дії зміщень породного контуру і частини ваги порід зони підвищеної тріщинуватості (руїнного руйнування), за останню необхідно розглядати не всю, а певну частину цього навантаження, яке залежить як від несучої здатності кріплення (обернено пропорційно), так і від величини зміщень породного контуру (прямо пропорційно).

10. Для умов очікуваних великих деформацій масиву і значних зміщень породного контуру виробок запропонована концепція управління геомеханічними процесами, спрямована, в першу чергу, на попередження катастрофічних проявів (вивали порід покрівлі, здимання підошви) і тяжких наслідків (зниження стійкості виробки, великі витрати на ремонтні роботи і перекріплення) при будівництві і експлуатації виробок вугільних шахт. В рамках концепції розроблені способи забезпечення стійкості виробок, що враховують механізм деформації приконтурної зони порід в умовах можливої втрати їх стійкості при досягненні критичних зсувів і заснованих на попередженні руйнування контуру виробки, якщо цього можна досягти застосуванням конструкцій високої несучої здатності, або ж зниженні їх розпушення і зміщень за допомогою кріплення з високою несучою здатністю, при обмеженій податливості.

11. Запропонована імовірнісна модель стійкості протяжної виробки, що враховує чинник часу для визначення оптимальних витрат на спорудження і забезпечення тривалої стійкості виробок головних напрямів при необхідності проведення багатократних ремонтів.

12. Реалізація розроблених рішень виконана на шахті «Шахтарська-Глибока» ДП «Шахтарськантарцит» при спорудженні 1-го східного вентиляційного штреку (глиб. 1386 м) з очікуваним економічним ефектом 25,8 тис. грн на 1000 п.м; на ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат» при прогнозуванні стійкості підошви виробок, пройдених в неоднорідному рудному масиві з економічним ефектом 250 тис. грн/рік на 1000 п.м.; на ОП «Шахта ім. Вахрушева» ДП «Ровенькиантрацит» при підготовці лави пласта h₁₀ східного крила з очікуваним економічним ефектом 245,8 тис. грн на 1000 п.м.; в навчальному процесі Національного гірничого університету при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів спеціальності «Шахтне і підземне будівництво» і науковій діяльності, включаючи підготовку магістрів і аспірантів.

Результати роботи і положення дисертації відображені у 73 наукових працях, основними з яких є наступні:

1. Солодянкин А.В. К проблеме обеспечения устойчивости горных выработок / Шашенко А.Н., Роенко А.Н., Солодянкин А.В. // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 1998. - № 1. - С. 23-24.

2. Солодянкин А.В. Повышение устойчивости выемочных штреков / Солодянкин А.В. // Проблемы создания новых машин и технологий. Науч. тр. КГПУ. – Кременчуг: КГПУ. – 2000. - Вып. 2 (11). - С. 527-529.

3. Солодянкин А.В. Актуальные задачи обеспечения устойчивости выработок угольных шахт / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Сб. науч. тр. НГА Украины. – Днепропетровск: РИК НГА Украины. – 2001. - № 11, том. 1. - С. 198-204.

4. Солодянкин А.В. Анализ теоретических предпосылок для создания системы геомониторинга / Сдвижкова Е.А., Масленников Е.В., Солодянкин А.В., Бабец Д.В. // Сб. науч. тр. НГУ. – Днепропетровск: НГАУ. - 2002. - № 15, Т.1. - С. 68-74.

5. Солодянкин А.В. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния разупрочняющегося массива в окрестности подземной выработки / Шашенко А.Н., Янко В.И., Солодянкин А.В. // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ООО «Норд Компьютер». – 2002. - № 40. - С. 13-17.

6. Солодянкин А.В. Обоснование параметров анкерной крепи для выработок шахт / Терещук Р.Н., Солодянкин А.В., Масленников Е.В. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2003. - № 4. - С. 141-144.

7. Солодянкин А.В. Учет разупрочнения породного массива в окрестности подземной выработки в задачах геомеханики / Шашенко А.Н., Янко В.И., Солодянкин А.В. // Сб. науч. тр. НГУ. – Днепропетровск: РИК НГУ. – 2003. - № 17, Т. 1. - С. 285-291.

8. Солодянкин А.В. Оценка напряженно-деформированного состояния разупрочняющегося породного массива комплексом численных методов / Солодянкин А.В. Сдвижкова Е.А. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2003. - № 4 (21). – С. 145-149.

9. Солодянкин А.В. Оперативный контроль высоконапряженного массива в подземных выработках / Шашенко А.Н., Масленников Е.В., Солодянкин А.В. // Уголь Украины. – 2004. - № 1. – С. 35-37.

10. Солодянкин А.В. Автоматизированный мониторинг геомеханического пространства производственных объектов / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Проблеми гірського тиску. – Донецьк, ДонНТУ. – 2004. – Вип. 11. – С. 106-117.

11. Солодянкин А.В. Определение напряженно-деформированного состояния породного массива с учетом эффекта разупрочнения в зоне разрыхления / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В., Гапеев С.Н. // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог. – 2004. – Вып. 88. – С. 44-49.

12. Солодянкін О.В. Геомеханічні моделі і сучасні методи математичного моделювання / Солодянкін О.В., Ткач О.О., Шашенко О.М. // Вісник ЖДТУ. Серія: Технічні науки. - 2004. - № 4 (31). – С. 209-218.

13. Солодянкин А.В. Упруго-пластическое состояние породного массива дилатирующего в окрестности подземной выработки / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. – 2005. - № 61. - С. 230-241.

14. Солодянкін О.В. Феноменологічна модель породного масиву, що нелінійно деформується навколо підземної виробки / Солодянкін О.В. // Вісник ЖДТУ. Серія: Технічні науки. - 2006. - № 1 (36). – С. 171-177.

15. Solodyankin А. Probabilistic estimation of the development stability in affected area of coal-face works / Shashenko A., Sdvizhkova E., Solodyankin А. // Науковий вісник Національного гірничого університету (Scientific bulletin of the National mining university). – 2006. – № 5. – С. 46-48.

16. Солодянкин А.В. К вопросу о теории больших статических деформаций контура горных выработок / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В., Гапеев С.Н. // Известия Тульского государственного университета. Серия: Геомеханика. Механика подземных сооружений. – Тула: Изд-во ТулГУ. – 2006. – Вып. 4. – С. 224-229.

17. Солодянкін О.В. Оцінка стійкості порід підошви гірничих виробок / Солодянкін О.В. // Вісник ЖДТУ. Серія: Технічні науки. - 2006. - № 3 (38). – С. 189-196.

18. Солодянкин А.В. Оценка устойчивости пород почвы горных выработок / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Проблеми гірського тиску. – Донецьк, ДонНТУ. – 2006. – Вып. 14. – С. 85-103.

19. Солодянкин А.В. Исследование способа повышения устойчивости выработок в пучащих породах почвы на моделях из эквивалентных материалов / Роенко А.Н., Солодянкин А.В., Терещук Р.Н. // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2007. – Вип. 12. – С. 45-50.

20. Солодянкин А.В. К обоснованию вероятностной модели устойчивости протяженной выработки с учетом эксплуатационных затрат / Шашенко А.Н., Сдвижкова Е.А., Солодянкин А.В. // Вісті Донецького гірничого інституту. – 2007. - № 1. – С. 3-10.

21. Солодянкин А.В. Критерии оценки устойчивости пород почвы горных выработок / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2007. - № 1. – С. 44-49.

22. Солодянкін О.В. Обґрунтування способу підвищення стійкості протяжних виробок у породах, що здимаються / Солодянкін О.В. // Вісник ЖДТУ. Серія: Технічні науки. - 2007. - № 2 (41). – С. 173-178.

23. Солодянкін О.В. Моделювання процесу здимання порід підошви гірничих виробок / Шашенко О.М., Гапєєв С.М., Солодянкін О.В. // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2008. - № 8. – С. 3-6.

24. Солодянкин А.В. Исследование влияния несущей способности крепи на параметры деформирования массива пород вокруг протяженных горных выработок / Солодянкин А.В. // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. – 2008. - № 77. - С. 185-192.

25. Солодянкин А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния породных массивов на основе сопрягаемых численных методов в системе геомеханического мониторинга / Солодянкин А.В., Сдвижкова Е.А., Мякенький В.В. // Gornictvo i Geoinzynieria, Kwartalnik akademii gorniczo-hutniczej. – Krakow. – 2003. – z. 3-4. – p. 579-590.

26. Солодянкин А.В. Выбор параметров анкерной крепи для обеспечения устойчивости протяженных выработок угольных шахт / Терещук Р.Н.. Солодянкин А.В. // Горн. информ.-аналит. бюллетень. – 2003. - № 6. – С. 168-172.

27. Солодянкін О.В. Експериментальне дослідження стану протяжної виробки з рамно-анкерним кріпленням / Терещук Р.М., Солодянкін О.В., Мартиненко С.В. // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників-2006”. – Дніпропетровськ: РВК НГУ. – 2006. – С. 190-194.

28. Солодянкин А.В. К вопросу о критерии вспучивания пород почвы горных выработок / Шашенко А.Н., Солодянкин А.В. // Материалы междунар. научно-практич. симпозиума «Современные проблемы шахтного и подземного строительства». – Вып. 7. – Донецк: Норд-Пресс. – 2006. – С. 221-231.

29. Solodyankin А. Development of acoustic control method of mode of deformation of the coal massif in the process of underground mining / Shashenko А., Maslennikov Y., Solodyankin А. // Scientific Reports of Mining, Metallurgy and Materials in Ukraine. – Technische Universitat Bergakademie Freiberg. – 2008. – C 521. – С. 23-27.

30. Солодянкін О.В. Дослідження зміщень контуру гірничих виробок в шахтних умовах / Солодянкін О.В. // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників-2008”. Т. 2. – Дніпропетровськ: РВК НГУ. – 2008. – С. 199-201.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві: [1, 3, 4] – аналіз стану комплексу протяжних виробок, формулювання наукової проблеми, мети, ідеї і завдань досліджень; [5, 7] – постановка задачі, виконання чисельного моделювання, обробка і аналіз результатів; [6, 26] – виконання лабораторного моделювання, обробка і аналіз результатів, обґрунтування параметрів способу підвищення виробок; [8, 25] – постановка задачі, обґрунтування алгоритму чисельного моделювання; [9, 29] – аналіз та оцінка можливостей оперативного контролю в системі геомоніторингу; [10, 11] – розробка методологічної структури системи геомоніторингу; [12, 13] – аналітичні дослідження, обробка та аналіз результатів; [15, 20] – розробка імовірнісної моделі протяжної гірничої виробки; [16] – розробка методологічного підходу до рішення проблеми великих деформацій приконтурного масиву; [18, 21, 28] – аналітичні дослідження критерію стійкості виробки; [19] – лабораторні дослідження способу забезпечення стійкості протяжних виробок; [23] – чисельне моделювання процесу деформування порід підошви виробки; [27] – обробка та аналіз результатів шахтних досліджень.