Параметричний аналіз напружено-деформованого стану горизонтальної виробки, що взаємодіє із шаруватим масивом
Loading...
Date
2024
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Abstract
UKR: Дисертація присвячена розробці наукової ідеї параметричного аналізу напружень та деформацій незакріпленої або закріпленої горизонтальної виробки, що взаємодіє з шаруватим масивом. Концептуально параметричний аналіз базується на математичному моделюванні на основі методу скінченних елементів. За допомогою авторських алгоритмів рішення цього методу, отримане для конкретного розрахункового випадку, екстраполюється на інші розрахункові випадки. Актуальність досліджень визначення напружено-деформованого стану горизонтальної виробки, що взаємодіє із шаруватим масивом, обумовлена наявністю проблем під час спорудження перегінних тунелів шляхом щитової проходки, зокрема метрополітену в місті Києві. Вплив шаруватості для Київського метрополітену можна визначити як негативний, оскільки конструкція перегінного тунелю, що взаємодіє з шаруватим масивом, деформується неоднорідно. Основою параметричного аналізу є те, що напружено-деформований стан на коловій горизонтальній виробці із одиничним радіусом за допомогою scaling-параметрів (scaling – масштабування) можна екстраполювати на виробки будь-якого радіусу. Розробка теоретико-практичних основ параметричного аналізу напружено-деформованого стану горизонтальної виробки, що взаємодіє із шаруватим масивом, є метою дисертаційної роботи. Для досягнення мети проведено аналіз стану питання визначення напружено-деформованого стану системи «горизонтальна виробка – шаруватий масив», а також методологічних підходів до шаруватості гірського масиву, ослабленого горизонтальною виробкою. Висновки аналізу підтверджують, що математичне моделювання на основі методу скінченних елементів дозволяє виконати всі завдання дисертації. Створено скінченно-елементні моделі системи «горизонтальна виробка – породний масив», які дозволяють варіацію радіусу виробки та деформаційних властивостей шаруватого масиву. Також побудовано скінченно-елементні моделі з одиничними параметрами, які є первинними для подальшого скейлінгу (масштабування). За допомогою створених скінченно-елементних моделей визначено, що під час скейлінгу системи «горизонтальна виробка – шаруватий масив» з одиничним геометричним параметром (радіус виробки R=1) слід збільшити напруження в n разів, а переміщення в n2, де n – відношення радіусів реальної системи та системи з одиничним геометричним параметром. Після цього слід застосувати отримані авторські закономірності для характерних точок виробки, щоб визначити напружено-деформований стан на обрисі виробки для інших значень відношення модулів пружності матриці і шару. Наукова новизна полягає в тому, що вперше з коефіцієнтом кореляції R2=0,97…0,99 отримано закономірності напружень на контурі незакріпленої виробки в шаруватому масиві, які для трьох характерних точок є логарифмічними, а для двох точок мають лінійний характер. Доведено, що значення переміщень реальної закріпленої виробки на відміну від виробки з одиничним геометричним параметром збільшуються в стільки разів, наскільки збільшується модуль пружності масиву при незмінному рівні напружень. Проведене порівняння результатів параметричного аналізу перегінного тунелю Київського метрополітену з інструментальними вимірюваннями доводить високий ступінь адекватності розроблених авторкою теоретико-практичних положень параметричного аналізу, оскільки похибка між вертикальними переміщеннями, отриманими в ході математичного моделювання та маркшейдерських вимірювань, складає 3,0…14,5 %.
ENG: The dissertation is devoted to the development of a scientific idea of a parametric analysis of stresses and strains of an unsupported or supported horizontal working interacting with a layered massif. Conceptually, parametric analysis is based on mathematical modeling using the finite element method. With the help of the author's algorithms, the solution of the finite element method, obtained for a specific calculation case, is extrapolated to other calculation cases. The relevance of research on the determination of the stress-strain state of a horizontal working interacting with a layered massif is due to the presence of problems during the construction of running tunnels by shield tunneling, in particular, metro in Kyiv. The influence of layering for the Kyiv metro can be defined as negative, since the construction of the running tunnel interacting with the layered massif deforms non-uniformly. The basis of parametric analysis is that the stress-strain state on a circular horizontal working with a unit radius can be extrapolated to workings of any radius using scaling parameters. The development of the theoretical and practical foundations of the parametric analysis of the stress-strain state of a horizontal working interacting with a layered massif is the goal of the dissertation work. To achieve the goal, an analysis of the issue of determining the stress-strain state of the system “horizontal working – layered massif” was carried out, as well as methodological approaches to the layering of a rock massif weakened by horizontal mining. The conclusions of the analysis confirm that mathematical modeling based on the method of finite elements allows you to fulfill all the tasks of the dissertation. Finite-element models of the system “horizontal working – rock massif” were created, which allow variation of the working radius and deformation properties of the layered massif. Finite element models with single parameters are also built, which are primary for further scaling. With the help of the created finite element models, it was determined that during the scaling of the system “horizontal working – layered massif” with a single geometric parameter (radius of the working R=1), the stress should be increased in n times, and the displacement in n2, where n is the ratio of the radii of the real system and the system with a single geometric parameter. After that, the obtained author's regularities should be applied for the characteristic points of the product to determine the stress-strain state on the outline of the product for other values of the ratio of the modulus of elasticity of the matrix and the layer. The scientific novelty is that, for the first time, with a correlation coefficient R2=0.97 … 0.99, the contour stress patterns of an unsupported working in a layered massif are obtained, which are logarithmic for three characteristic points, and linear for two points. It is proved that the displacement values of a real supported working, in contrast to a working with a single geometric parameter, increase as many times as the modulus of elasticity of the matrix increases at a constant stress level. The comparison of the results of the parametric analysis of the Kyiv metro tunnel with instrumental measurements proves a high degree of adequacy of the theoretical and practical provisions of the parametric analysis developed by the author, since the error between the vertical displacements obtained during mathematical modeling and surveying measurements is 3.0 … 14.5 %.
ENG: The dissertation is devoted to the development of a scientific idea of a parametric analysis of stresses and strains of an unsupported or supported horizontal working interacting with a layered massif. Conceptually, parametric analysis is based on mathematical modeling using the finite element method. With the help of the author's algorithms, the solution of the finite element method, obtained for a specific calculation case, is extrapolated to other calculation cases. The relevance of research on the determination of the stress-strain state of a horizontal working interacting with a layered massif is due to the presence of problems during the construction of running tunnels by shield tunneling, in particular, metro in Kyiv. The influence of layering for the Kyiv metro can be defined as negative, since the construction of the running tunnel interacting with the layered massif deforms non-uniformly. The basis of parametric analysis is that the stress-strain state on a circular horizontal working with a unit radius can be extrapolated to workings of any radius using scaling parameters. The development of the theoretical and practical foundations of the parametric analysis of the stress-strain state of a horizontal working interacting with a layered massif is the goal of the dissertation work. To achieve the goal, an analysis of the issue of determining the stress-strain state of the system “horizontal working – layered massif” was carried out, as well as methodological approaches to the layering of a rock massif weakened by horizontal mining. The conclusions of the analysis confirm that mathematical modeling based on the method of finite elements allows you to fulfill all the tasks of the dissertation. Finite-element models of the system “horizontal working – rock massif” were created, which allow variation of the working radius and deformation properties of the layered massif. Finite element models with single parameters are also built, which are primary for further scaling. With the help of the created finite element models, it was determined that during the scaling of the system “horizontal working – layered massif” with a single geometric parameter (radius of the working R=1), the stress should be increased in n times, and the displacement in n2, where n is the ratio of the radii of the real system and the system with a single geometric parameter. After that, the obtained author's regularities should be applied for the characteristic points of the product to determine the stress-strain state on the outline of the product for other values of the ratio of the modulus of elasticity of the matrix and the layer. The scientific novelty is that, for the first time, with a correlation coefficient R2=0.97 … 0.99, the contour stress patterns of an unsupported working in a layered massif are obtained, which are logarithmic for three characteristic points, and linear for two points. It is proved that the displacement values of a real supported working, in contrast to a working with a single geometric parameter, increase as many times as the modulus of elasticity of the matrix increases at a constant stress level. The comparison of the results of the parametric analysis of the Kyiv metro tunnel with instrumental measurements proves a high degree of adequacy of the theoretical and practical provisions of the parametric analysis developed by the author, since the error between the vertical displacements obtained during mathematical modeling and surveying measurements is 3.0 … 14.5 %.
Description
Н. Бондаренко: ORCID 0000-0003-0804-7500
Захист – Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Захист – Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Keywords
горизонтальна виробка, шаруватий масив, параметричний аналіз, напружено-деформований стан, метод скінченних елементів, scaling-параметри, horizontal working, layered massif, parametric analysis, stress-strain state, finite element method, scaling-parameters, КТІ ДІІТ
Citation
Бондаренко Н. К. Параметричний аналіз напружено-деформованого стану горизонтальної виробки, що взаємодіє із шаруватим масивом : дис. … д-ра філософії. 192. Дніпро, 2024. 128 с.