Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане рішення актуальної науково-прикладної проблеми, що полягає в розробці теоретичних основ поточного контролю, прогнозної діагностики стану геомеханічних систем з урахуванням їхньої структурної неоднорідності і синергетичних процесів, що відбуваються в масиві гірських порід, яка має важливе народногосподарське значення для підвищення безпеки праці й ефективності ведення гірських робіт. Основні результати роботи зводяться до наступного: 1. На основі досліджень геомеханічних процесів навколо гірських виробок у породах різної стійкості обґрунтовано механізм виникнення синергетичних ефектів у породному масиві, який полягає в тому, що в результаті впливу гірничо-геологічних і техногенних факторів відбувається перехід масиву з одного квазістаціонарного рівноважного стану з мінімальною потенційною енергією в інший. Геомеханічні процеси, що супроводжують цей перехід, носять хвильовий згасаючий характер. 2. Теоретично показано, що можна не тільки контролювати процеси самоорганізації, але й керувати ними, створюючи в масиві гірських порід поле напружень з визначеними параметрами, і тим самим домагаючись формування таких літолого-геомеханічних систем, які будуть забезпечувати своєчасну дегазацію вуглепородного масиву, що дозволить знизити імовірність виникнення газодинамічних явищ і приведе до підвищення ефективності та безпеки гірничих робіт. 3. Досліджено хвильові та синергетичні процеси, резонансні явища, особливості формування фізичних полів у різних геомеханічних структурах і встановлено, що резонансна частота вимушених коливань визначається величиною початкових напружень у масиві, його пружними властивостями, тріщинуватістю, а також товщиною відшарування порід покрівлі гірських виробок. Якщо частота змушуючої сили мала порівняно з власною частотою коливань системи, то амплітуда змушених коливань визначається співвідношенням зовнішніх і початкових напружень. У тому випадку, коли частота вимушеної сили велика в порівнянні з власною частотою коливань покрівлі, що відшарувалася, амплітуда вимушених коливань виявляється дуже малою. 4. Вивчено резонансні явища в плоскопаралельних породних структурах. На підставі кінематичного підходу встановлено, що резонансні властивості плоскопаралельних породних структур зменшуються через погіршення акустичного контакту відшарувань з масивом та їх малими в порівнянні з масивом розмірами. Отримано формулу для оцінки ширини розшарування порід покрівлі по акустичних параметрах масиву. Установлено, що, знаючи фізико-механічні властивості гірських порід, а також величину початкових напружень у масиві, можна керувати синергетичними процесами в масиві; і, підбираючи відповідну частоту вимушених коливань приводити геомеханічну систему в стійкий стан, що характеризується мінімумом потенційної енергії. 5. Дано теоретичне обґрунтування застосування віброакустичного методу для контролю різних порушень (заколів, відшарувань) у покрівлі гірничих виробок. Установлено, що на частоту власних коливань ділянок покрівлі впливають: тип породи, умови закріплення, розміри відшарування плит. Зі зменшенням ступеня свободи відшарування спостерігається тенденція до зростання частоти його власних коливань по параболічному закону, зменшенню статичного прогину й виникаючих при цьому максимальних напружень по гіперболічному закону, що, поряд із збільшенням швидкості пружних хвиль, зменшенням коефіцієнта Пуассона та розмірів відшарувань у покрівлі, свідчить про підвищення її стійкості. Таким чином, частота й амплітуда власних коливань ділянки покрівлі є інформативними показниками її стану. Визначено динамічні параметри ділянок покрівлі, яка відшарувалася, з урахуванням утрат кінетичної енергії при ударі. Встановлено, що стійкість покрівлі виробок знижується при збільшенні швидкості динамічного впливу. 6. Розроблено теоретичні основи електрометричного контролю стану плоскопаралельних породних структур. Отримано аналітичний зв'язок між позірним електричним опором геотехнічних систем та їхньою пористістю, вологістю, механічними напруженнями, деформаційними параметрами. Установлено, що на величину питомого електричного опору впливає як об'ємний напружений стан, так і величина напружень у напрямку, у якому проводяться вимірювання, причому мінімальні значення питомого електричного опору спостерігаються при навантаженні, близькому до руйнівного. Підтверджено хвильовий характер розподілу зон підвищеної тріщинуватості навколо виробок. 7. Для контролю напруженого стану масиву запропоновано фазовий підхід, що дозволяє по акустичних параметрах середовища, його густини та зміні фази пружних поперечних хвиль оцінювати різницю діючих у масиві компонентів напружень, а значить і визначати найбільш ймовірний напрямок вивільнення внутрішньої енергії. Установлено, що і для тріщинуватого середовища параметри поперечних акустичних хвиль виявляються більш чутливими до навантаження не тільки в напрямку розповсюдження хвилі, але й у напрямку її поляризації, а явище дисперсії акустичних хвиль виявляється в нелінійній залежності коефіцієнтів згасання від частоти. Досліджено можливості застосування пасивних геофізичних методів і спектрального аналізу геофізичної інформації для контролю напруженого стану породного масиву і прогнозу його зміни в часі та просторі. На основі енергетичного підходу і шляхом використання динамічних і кінематичних характеристик акустичних і електромагнітних полів вперше отримані рівняння, які зв'язують величини механічних напружень у шаруватому масиві з енергією акустичних і електромагнітних хвиль, що виникають при руйнуванні масиву гірських поріди, і прогнозують зміну напружено-деформованого стану у часі та просторі. 8. Сукупність отриманих теоретичних розробок використана при створенні методичних основ геофізичного моніторингу різних структурних неоднорідностей у породних масивах, відшарувань порід у покрівлі та боках виробок, а також напрямків переважної орієнтації зон підвищеної тріщинуватості, зон концентрації напружень і процесів самоорганізації породного масиву, які являють собою базу для створення науково-технічних принципів діагностики геомеханічного стану породного масиву й горнотехнічних споруд. 9. На підставі виконаних експериментальних досліджень розроблена методика ультразвукового контролю властивостей і стану породного масиву, що дозволяє визначати пружні, міцностні та в'язкі властивості середовища по акустичних параметрах; ступінь тріщинуватості масиву – по зміні коефіцієнта Пуассона і спектральної щільності ультразвукового сигналу, напружений стан – по зміні пружних та акустичних параметрів об'єктів дослідження; розроблені методики віброакустичного й електрометричного контролю, які включають критерії вибору місць вимірів, найбільш оптимальної кількості точок вимірювань, умов контакту датчика коливань чи електродів з досліджуваним об'єктом, а також вимог до інтерпретації отриманих результатів. Лабораторні й натурні експерименти показали задовільну збіжність з результатами теоретичних досліджень (похибка не перевищує 20 %) і підтвердили високий ступінь інформативності ультразвукового, віброакустичного та електрометричного методів при контролі стану геомеханічних систем. 10. Запропоновано електролітичний спосіб виміру питомого електричного опору зразків гірських порід довільної форми, що базується на явищі поляризації зразків в однорідному середовищі однорідним полем, який відрізняється використанням електродів оригінальної конструкції чи різних розчинів повареної солі. Розроблено методику вимірів питомого електричного опору зразків без їхньої механічної обробки, що дозволяє проводити експрес-контроль ступеня порушеності зразків гірських порід, а за результатами шахтних вимірів, використовуючи тарувальні таблиці, судити і про напружено-деформований стан породного масиву 11. Розроблено методичне забезпечення геофізичної діагностики стану геомеханічних і гідротехнічних об'єктів на базі експериментальних і методичних досліджень взаємодії споруд з породним і ґрунтовим масивами з урахуванням синергетичних і фільтраційних процесів, прогнозу можливих змін параметрів об'єкта і навколишнього середовища в часі і просторі. Моніторинг геомеханічних і гідротехнічних об'єктів довів працездатність розроблених методик. 12. Результати роботи впроваджені шляхом включення складовою частиною в нормативні документи, у тому числі затверджені на рівні галузі: "Методика оцінки основних технологічних і технічних параметрів відпрацьовування крутих пластів щитовими агрегатами" (Київ, 1981), "Тимчасові методичні вказівки по експрес-визначенню пружних властивостей гірських порід ультразвуковим методом на неопрацьованих зразках кернів геологорозвідувальних свердловин КД" (Мінвуглепрому СРСР, 1987), "Посібник з експрес-визначення міцностних властивостей вуглевміщуючих порід Донбасу по їхніх геологічних характеристиках і акустичним вимірам кернів геологорозвідувальних свердловин КД" (Мінвуглепром СРСР, 1988), "Посібник по геофізичній діагностиці стану системи "кріплення-породний масив" вертикальних стволів. Доповнення до КД 12.18.073-88" (Мінвуглепром України, 1999). Розроблено вихідні вимоги на апаратуру і методику автоматизованого експрес-контролю стану масиву та технічне завдання на індикатор стану покрівлі ИСК-1Ш, затверджене Держвуглепромом України. Методика та апаратура геофізичного контролю властивостей геомеханічного стану об'єктів впроваджені в умовах геологічних експедицій "Карагандавуглерозвідка", ВО "Укрвуглегеологія", на ДВАТ "Трест Донецькшахтопроходка", на вугільних шахтах ім. А.Г. Стаханова, "Кураховська", "Жовтневий рудник", "Краснолиманська", "Павлоградська", "Західно-Донбаська", "Білозерська", "Комсомолець Донбасу", "Прогрес", "АП Шахта ім. Засядько", ім. Героїв Космосу, "Зоря", на гіпсових шахтах м. Артемівська (Україна), м. Новомосковська та с.м.т. Пешелані (Росія), на гідротехнічних об'єктах меліоративного призначення (Карабутовському водоймищі, Краснопавлівському гідровузлі і т.д.) з економічним ефектом, що складає більш 1 млн. гривень. |
