В Назимко - Самоорганизация процессов сдвижения горного массива - страница 1

Страницы:
1 

ІУД К 622.831.1

8. В. НАЗИМКО, канд. техн .наук

•САМООРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СДВИЖЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Процесс сдвижения горного массива рассмотрен с позиций самоорганизации. В состояние самоорганизации геомеханическая система переходит в неравновес­ной динамике, например, при влиянии очистных работ и характеризуется прост­ранственно-временной упорядоченностью. Предложены принципы управления состоянием горного массива, основанные на использовании, усилениии или ос­лаблении самоорганизации сдвижений толщи.

Применительно к горной геомеханике самоорганизующимися 151 можно считать открытые диссипативные в термодинамичес­ком смысле системы. Эти системы могут пропускать через себя потоки энергии или вещества, необратимо рассеивая при этом пер­воначальную форму энергии в высокоэнтропийные виды (в конеч­ном счете — в тепло). Например, система крепь выработки — вме­щающие породы пропускает через себя энергию горного давления, преобразуя ее из потенциальной низкоэнтропийной формы в по­верхностную энергию трещин, работу неупругих перемещений, тепло. Под энтропией горного массива при этом понимаем функцию •его состояния, отражающую готовность к самопроизвольному де­формированию и сдвижению. Чем меньше эта готовность, тем выше энтропия.

Состояние самоорганизации геомеханической системы существу­ет только в неравновесной динамике и характеризуется наличием структуры, пространственно-временной упорядоченностью. В такой системе нет ярко выраженной аморфности, изотропности. Типичным примером простой пространственной самоорганизации является дизъюнктивное нарушение [2]. Структура горного массива в окрест­ности разрывного нарушения характеризуется ярко выраженной упорядоченностью. Взаимное расположение трещин оперения и плоскостей скольжений периодично, а их ориентация подчиняется определенным законам. Для рассматриваемого геологического объ­екта характерны две основные стадии существования. Первая ста­дия возникает как состояние самоорганизации процесса условно мгновенного разрушения толщи под действием тектонических сил. Вторая стадия утрачивает признаки самоорганизации, длится в те­чение геологических эпох и подчиняется второму закону термоди­намики. Это означает, что происходит рост энтропии (так называ­емое производство энтропии) в форме релаксации напряжений в ок­рестности сместителя, залечивания трещин и т. д.

Более сложным примером самоорганизации сдвижений горного массива является известное явление периодического колебания дли­ны зоны и степени концентрации опорного давления [61. Здесь са­моорганизация сдвижений протекает в пространстве и времени иимеет вид автоколебательного процесса зависания и обрушения по­родных консолей. При этом накопленная потенциальная энергия сжатия горного массива устремляется в сторону системы призабой-ное пространство — окружающие породы и необратимо преобра­зуется в высокоэнтропийные виды поверхностной энергии трещин, плоскостей скольжений, работу неупругих перемещений блоков по­род и тепло. Наблюдениями автора установлено, что дополнительно-к известным формам самоорганизации сдвижений 16] в данном слу­чае добавляется самоорганизация в виде пространственной упорядо­ченности и подчиненности трещин горного давления и отдельностей, где сдвижение происходит по ряду систем нарушенности. Так,, процесс сдвижения в условиях Донецко-Макеевского района при управлении кровлей полным обрушением идет путем расслоения толщи и взаимных сдвигов блоков по плоскостям скольжения, ори­ентированных вдоль очистного забоя и наклоненных к горизонту под углом 50—140°. В процессе сдвижения блоки, размеры которых в вертикальной плоскости составляют 1-3 м, перекашиваются, в результате чего развиваются трещины горного давления и отдель­ности. Интенсивность их составляет 40—60 м-1, что говорит о их подчиненности системе нарушений первого порядка.

Для поддержания описанного процесса самоорганизации сдви­жений система призабойное пространство — окружающие породы должна находиться в существенно неравновесном состоянии. Это обеспечивается вследствие подтока новых порций энергии горного давления, который не иссякает благодаря постоянному перемеще­нию очистного забоя к нетронутой низкоэнтропийной толще масси­ва, имеющей запас потенциальной энергии сжатия. Как только забой останавливается, состояние самоорганизации сдвижении ис­чезает и в силу вступает второй закон термодинамики о неизбежном спонтанном производстве энтропии. Оно протекает н инде релакса­ции горного давления, уплотнения обрушенных пород, сглажива­ния неоднородностей в затронутом очистными работами массиве.

Один из наиболее сложных процессов самоорганизации сдвиже­ний возникает при их активизации в толще в процессе развития очистных работ. Установлено, что смежные выработанные простран­ства активно взаимодействуют между собою 141. Если выемочные участки отрабатываются в разное время, смежные зоны сдвижений обладают разной готовностью к самопроизвольным сдвижениям, . т. е. имеют разную энтропию. Так как энтропия ранее вырабо­танного пространства больше, возникает поток энтропии от рансї выработанного пространства к смежному вновь отрабатываемому. Этот поток можно считать условно мгновенным, поскольку он воз­никает только в неравновесном состоянии системы, отвечающему условию активизации сдвижений. В результате этого ранее выра­ботанное пространство испытывает сжатие со стороны новою про­странства (рис. 1, а), что приводит к росту горного давлении нотносительно старом выработанном пространстве и разгрузке относи­тельно нового (рис. 1, б). Данное обстоятельство является основным и самым важным с практической точки зрения следствием самоорга­низации сдвижений при развитии очистных работ. '

Одновременно наблюдается, как и в предыдущем случае, общая для всех процессов тенденция. Как только неравновесность исче­зает (останавливается смежная с ранее выработанным простран­ством лава), состояние самоорганизации затухает и решающую роль начинает играть второй закон термодинамики. В результате протекает производство энтро­пии с экспоненциальным сгла­живанием неравномерного пере­распределения горного давления в сплошном выработанном про­странстве.

Ярковыражена самоорганиза­ция и при активизации сдвижений

 

Расширение ! [ у МММ |

TTJ ! !/", , \

Г\ Сжатие

 

у ■

а

У \ У

1

—/----------

 

 

 

Рис. 1. Взаимодействие смежных зон сдвижений:

ібсолютньїе их и относительные      деформации толщи в плоскости пласта о на. правлении оси х; 1, 2 — порядок отработки смежных запасоп

Рис. 2. Изменение объема dV (разуплотнение) в процессе развития зоны разрушения в окрестности подготовительной выработки при влиянии очи­стных работ:

а — экспериментальные данные (цифры на изолиниях обозначают степень раз­уплотнения); б - теоретические результаты (формула (3))

в системе крепь подготовительной выработки — вмещающие nopoJ ды. С помощью глубинных реперов установлено, что для возбужде! ния состояния самоорганизации достаточно двух условий. Процесс] сдвижений должен иметь необратимый, т. е. запредельный харак-1 тер, и активизироваться неравновесным состоянием системы, на-1 пример, влиянием смежной лавы. Самоорганизация сдвижений в] окрестности выработки выражается в том, что развитие зоны разру-Ішений происходит в виде фронта (волны) разуплотнения, за кото­рым остается относительно сжатая область (рис. 2). Ориентация тре­щин в зоне влияния выработки повторяет ее очертания и не зависит от направления исходной трещиноватости. Длительные инстру­ментальные наблюдения при этом показывают, что после исчезно­вения причины неравновесности наблюдается тенденция к выравни­ванию степени разуплотнения во всей зоне разрушения, т. е. с за­кономерней устойчивостью проявляется действие второго закона термодинамики.

Теоретический анализ показывает, что для простейшего описа­ния самоорганизации сдвижений достаточно две феноменологиче­ские модели. Первый этап характеризуется стеканием дефектов к за­родышам или устьям трещин и может быть описан уравнением диф­фузии

dN/dt = D (d*N/dx2 + d2N/dy2),                 (1)

где N — концентрация дефектов, зависящая от времени / и коор­динат х, у; Dкоэффициент диффузии дефектов, который для однородной толщи может быть принят постоянным.

На втором этапе идет процесс разрушения или пластичного скольжения, который отражен в кинетической теории прочности С. Н. Журкова:

/, =t0exp[(U -ут)/(КТ)], (2)

где /, — долговечность породы; t0 — параметр кристаллической решетки твердого тела; U — энергия активизации разрыва связей; V — коэффициент перенапряжения связей; т — действующее на­пряжение; К —константа Больцмана; Т — абсолютная темпера­тура.

В более сложных случаях для учета динамических эффектов сле­дует использовать второй закон Ньютона, для тепловых — уравне­ние теплопроводности и т. д.

Так, на основе феноменологических моделей (1) и (2) можно дать качественное описание самоорганизации сдвижении, зафикси-рванной шахтными наблюдениями. Теоретическое изменение гра­диента разуплотнения g = dV при этом полностью совпадает с эк-опериментальным (рис. 2):

dg/dr = С — g/r, (3)

йде С — константа; г — текущий радиус в зоне разрушения.

Полученные результаты закладывают принципиально новую Ірснову для управления сдвижением массива горных пород. Это [управление должно базироваться на использовании, усилении или [подавлении самоорганизации сдвижений. Например, следствие самоорганизации сдвижений толщи при бесцеликовом развитии Іочистньїх работ целесообразно использовать в качестве резерваустойчивости подготовительных выработок [3]. Для этого выработ­ки следует располагать в окрестности относительно новых вырабо­танных пространств, на границе с относительно старыми. Указан­ный метод использован при внедрении способа охраны основных наклонных выработок в зоне разгрузки, образованной разным по­рядком отработки смежных запасов в условиях шахты им. Бажа-нова ПО «Макеевуголь». Экономический эффект от повышения ус­тойчивости выработок при этом составил 94,6 тыс. р./м в год.

Удачным примером усиления самоорганизации можно считать гидроразрыв пласта в зоне устойчивой разгрузки [1]. Эта зона су­ществует в неравновесном состоянии и перемещается впереди зоны динамического опорного давления движущегося очистного забоя. Место гидроразрыва при этом оказывается более предсказуемым и определенным

Примерами ослабления самоорганизации сдвижений является торпедирование труднообрушаемых кровель, взрывощелевая раз­грузка почвы подготовительных выработок, щелевая разгрузка подрабатываемых сооружений. Так, на идее срыва самоорганиза­ции сдвижений и ее купировании обоснован следующий способ защиты выработки от влияния очистных работ. Как уже отмечалось, развитие зоны разрушения вокруг выработки при влиянии очист­ных работ происходит в виде фронта разуплотнения. Поэтому целе­сообразно заранее разрушить и упрочнить окружающий массив в том месте, где предполагается передвижение фронта разуплотне­ния. В результате смещения на контуре охраняемой выработки сни­жаются в 3—4 раза.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Сдвижение горного массива протекает, как правило, в две стадии. Первая стадия характеризуется состоянием самоорганизации и возникает из условий неравновесности и необ­ратимости процесса. Неравновесность вызывается активным влия­нием очистных работ или возбуждается искусственно. Во втором случае необходимы затраты энергии. Необратимость процесса в большинстве случаев протекает в форме разрушения горных пород. На второй стадии процесс сдвижения определяется вторым законом термодинамики, обусловливающим самопроизвольный рост энтро­пии горного массива. Это происходит в форме релаксации напряже­ний, уплотнения обрушенных пород, сглаживания неоднородностей сдвижения. Простейшее описание процесса самоорганизации сдви­жений может быть получено на основе двух феноменологических законов физики: уравнения диффузии и кинетической теории проч­ности. Задача управления сдвижением массива горных пород со­стоит в переводе его из состояния самоорганизации в состояние ре­лаксации и наоборот или, как частный случай, в усилении или подавлении процесса самоорганизации сдвижений.

.Список литературы

1.  А. с. 1097807 СССР, МКИ E21F5/00. Способ дегазации угольного пласта.

2.  Ажгирей Б. В. Структурная геология.- М. : МГУ, 1966.- 350 с.

3.  Зборщик М. П., Назимко В. В. Закономерности горизонтальных сдвижений толщи пород при отработке пологих пластов // Уголь Украины.— 1986.— № 5.— С. 18—22.

4.  Назимко В. В. Термодинамический анализ сдвижения массива горных по­род.-Донецк, 1986.- 11 с.-Деп. в ЦНИЭИуголь, 19.05.86, №3710.

5.  Хакен Г. Синергетика: иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах.— М. : Мир, 1985.— 423 с.

6.  Черняк И. Л., Фомин Ю. В. Методика анализа проявлений динамического опорного давления// Уголь.— 1987.—№ 10.-С. 22—25.

Получено 10.06.88

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Назимко - Геомеханическая модель для прогноза динамических проявлений горного давления в окрестности очистного забоя

В Назимко - Опыт применения нейронных сетей и генетического алгоритма для прогноза мал о амплитудных нарушений

В Назимко - Стохастический подход к прогнозу зон обрушений кровли в очистных забоях

В Назимко - Обоснование размера зоны нагрузки

В Назимко - Самоорганизация процессов сдвижения горного массива