Методики оценки устойчивости лба забоя с максимальным уделением внимания бессеточным методам

В целях прогноза устойчивости могут применяться различные методы оценки устойчивости, которые можно разделить на три категории: сопоставимый опыт или метод теории подобия, аналитические методы прогноза, численные методы прогноза. При этом, стоит отметить, что в настоящее время разрабатываются методы прогноза деформаций, основанные на нейронных сетях

В данной работе будет произведен обзор методов оценки устойчивости, их сравнительный анализ. Особое внимание будет уделено современным численным методикам, краткому описанию их принципов. Для обоснования принятых в исследовании моделей материалов, будет их приведен обзор.

1. Аналитические методы прогноза устойчивости

Разработке аналитических методов расчета посвящены работы Дашко, Р.Э. Маслов, Н.Н, Протосеня, А.Г. Методическими рекомендациями по расчету временной крепи тоннельных выработок предложена методика определения параметров крепления лба забоя тоннельной выработки. Данная методика основана на предположении жесткопластической модели грунтового массива, а также плоском деформационном состоянии массива вдоль оси тоннеля. Методика, отраженная в рекомендациях, используя критерий прочности Кулона-Мора, не ориентируется на деформации, а основана лишь на прочностных параметрах.

Аналитические методы оценки устойчивости лба (литостатического барьера) забоя являются важной частью процесса оценки безопасности тоннельных выработок. Они используются для определения возможных опасностей, связанных с давлением в тоннеле и распространением пластовых жидкостей.

Один из ключевых аналитических методов оценки устойчивости лба - это расчеты на основе механики горных пород. Они позволяют инженерам анализировать механические свойства горных пород вокруг тоннельных выработок и предсказать их поведение под воздействием давления и других факторов.

Другим аналитическим методом является использование моделей многофазового потока для оценки динамики давления и потока жидкости. Эти модели позволяют инженерам проводить анализ стационарных и нестационарных режимов работы скважины, что помогает предотвращать возможные аварийные ситуации.

Для  жесткопластической модели  условие прочности

(ау-аг)2 + Ат2 = Ак2,

где Оу - напряжения вдоль горизонтальной оси, Па;

ог - напряжения вдоль вертикальной оси, Па;

т - касательные напряжения на наклонной площадке, Па;

к - коэффициент сцепления, Па.

Так, коэффициент трения к не постоянен, и, зависит как от уровня действующих напряжений в массиве, так и от прочностных параметров: сцепления и угла внутреннего трения. Ясно, что при постоянном уровне напряжений, по мере увеличения угла внутреннего трения и сцепления, к увеличивается. Кроме того, ориентироваться приходится не на главные напряжения, а на напряжения вдоль декартовых осей. Напряжения нарушенного массива вдоль оси x (рис. 2.1) на поверхности забоя могут быть растягивающими, становясь сжимающими и изменяя траекторию напряжений по мере удаления от лба забоя. Присутствует некоторая сложность в определении напряжений вдоль оси г, так напряжения вдоль оси z приобретут максимальное свое значение в соответствии с законом геостатического распределения напряжений в почве выработки.

[pic 1]

Рисунок 1 – Расчетная схема оценки устойчивости лба забоя:

1 - граница выработки; 2 - забой.

В общем случае, аналитические методики основываются на предположении о существовании свода обрушения.

Аналитические методы оценки устойчивости лба забоя тоннельных выработок основываются на ряде фундаментальных принципов механики горных пород и строительства подземных сооружений. Некоторые из основных аналитических методов включают в себя следующее:

1. Метод конечных элементов (МКЭ): Этот метод используется для численного моделирования поведения горных пород вблизи забоя тоннеля. Он позволяет учитывать различные параметры, такие как геометрию тоннеля, свойства пород, геологические структуры и нагрузки на тоннель. МКЭ помогает оценить напряжения, деформации и уровень устойчивости лба забоя.