Computational model for evaluating the state of geomechanical systems during computing experiments

Purpose. To create a model allowing integration of the diverse features identified for the rock massif behavior by differentiation of various theories and real phenomena into a single information-analytical flow. Methods. System analysis of computational experiments’ results was based on the use of recursive calculation methodology for assessing accuracy of the obtained results with different methods of geometric and physical description applied to individual elements of simulation in the computational domain. Findings. Sample tables were obtained containing the acceptable values of weight characteristics for the various simulated elements in the generalized computational domain. A recursive algorithm for the analysis of the studied objects description’ efficiency in the solution of geomechanics problems by grid numerical methods was formulated and implemented as a computational module. The authors created a system for the assessment of the results obtained via computational experiment at the time of full-scale investigation, which provides a comprehensive analysis of changes in the rock massif state during the operation of the selected support system. The conditions of combining the design characteristics of the simulated support elements functioning in a single load-carrying system under dynamic redistribution of forces were obtained. Originality. The resulting generalized model of mine working and elements affecting its condition allows to determine most accurately the nature of changes in the stress-strain state of geotechnological system regardless of the originally a priori specified limitations. Practical implications. The unified approach can be used in the search for the optimal parameters of implementing combined working supports in the area of mining operations and beyond.Мета. Створити модель, що дозволяє інтегрувати все різноманіття виявлених особливостей поведінки гірського масиву шляхом диференціації різних теорій і реальних явищ у єдиний інформаційно-аналітичний потік. Методика. Системний аналіз результатів обчислювальних експериментів, що побудований на застосуванні рекурсивної методики оцінки розрахункової точності одержуваних результатів при різних методах геометричного й фізичного опису окремих елементів моделювання у розрахунковій області. Результати. Отримано типові таблиці, що містять припустимі величини вагових характеристик для різних елементів, які моделюються в узагальненій розрахунковій області. Сформульовано й реалізовано у вигляді розрахункового модуля рекурсивний алгоритм аналізу ефективності опису досліджуваних об’єктів при рішенні завдань геомеханіки сітковими чисельними методами. Створено систему оцінки одержуваних результатів обчислювального експерименту при проведенні натурних досліджень, яка забезпечує комплексний аналіз зміни стану породного масиву в ході експлуатації обраної системи кріплення. Отримано умови сполучення розрахункових характеристик елементів кріплення, які моделюються й функціонують у єдиній вантажонесучій системі при динамічному перерозподілі зусиль. Наукова новизна. Одержана узагальнена модель гірничої виробки й елементів, що впливають на її стан, гранично точно дозволяє визначати картину зміни напружено-деформованого стану геотехнологічної системи незалежно від початкових апріорі заданих обмежень. Практична значимість. Забезпечується можливість застосування уніфікованого підходу в пошуку оптимальних показників застосування комбінованих кріплень гірничих виробок, які знаходяться поза зоною й у зоні дії очисних робіт.Цель. Создать модель, позволяющую интегрировать все многообразие выявленных особенностей поведения горного массива путем дифференциации различных теорий и реальных явлений в единый информационно-аналитический поток. Методика. Системный анализ результатов вычислительных экспериментов, построенный на применении рекурсивной методики оценки расчетной точности получаемых результатов при различных методах геометрического и физического описания отдельных элементов моделирования в расчетной области. Результаты. Получены типовые таблицы, содержащие допустимые величины весовых характеристик для различных моделируемых элементов в обобщенной расчетной области. Сформулирован и реализован в виде расчетного модуля рекурсивный алгоритм анализа эффективности описания исследуемых объектов при решении задач геомеханики сеточными численными методами. Создана система оценки получаемых результатов вычислительного эксперимента при проведении натурных исследований обеспечивающая комплексный анализ изменения состояния породного массива в ходе эксплуатации выбранной системы крепления. Получены условия совмещения расчетных характеристик моделируемых элементов крепи функционирующих в единой грузонесущей системе при динамическом перераспределении усилий. Научная новизна. Полученная обобщенная модель горной выработки и элементов, влияющих на ее состояние, предельно точно позволяет определять картину изменения напряженно-деформированного состояния геотехнологической системы независимо от первоначально априори заданных ограничений. Практическая значимость. Обеспечивается возможность применения унифицированного подхода в поиске оптимальных показателей применения комбинированных крепей горных выработок находящихся вне зоны и в зоне действия очистных работ.This work would not have been possible without the support of “DTEK Energo” company. The studies were performed within the framework of the state-maintained scientific research topics. The authors express special gratitude to professors of the National Mining University – Volodymyr Bondarenko and Iryna Kovalevska – for the support in conducting the research

"Разработка и анализ вычислительной модели геомеханической системы “слоистый массив – крепь выработки” "

Purpose. Substantiating the method for forecasting rock pressure manifestation in the system “layered massif – working support” on the basis of displacement patterns detection at any arbitrary point of the preparatory working circuit during the computational experiments. Methods. Computational experiments were carried out on the basis of the finite element method using the solid computational domain, provided superlimiting non-linear behavior of the simulated materials. The use of numerical grid methods allows creating geometrically and physically complex simulation models and manipulate their state within a wide range. Findings. The calculations defined that with weak links between adjacent strata, acting shear stresses destroy them in the vicinity of working, and the contiguous rock strata deform with mutual sliding. Analysis of reduced stress area allows to substantiate with accuracy sufficient for mining computations a unified average structure of the computational domain that most comprehensively reflects all the main features of a real mining massif which are likely to influence computational error. This choice ensures the introduced error value within 10% in the entire range of mechanical parameters change of the rock massif strata. Originality. Stress-strain state of frame support and patterns of its change with increasing mining depth are non-linear, especially with nearby rock strata entering the superlimiting state; formation of the plastic hinges system along the frame support circuit, which causes the development of such replacements that exclude the possibility of further working exploitation. Practical implications. The proposed method allows to determine the optimal indicators of maintaining a working driven in the finely-layered rock massif, which makes it possible to significantly reduce operation costs.Цель. Обоснование методики прогноза проявлений горного давления в системе “слоистый массив – крепь выработки” на основе выявления закономерностей смещения произвольной точки контура подготовительной выработки при проведении вычислительных экспериментов. Методика. Проведение вычислительных экспериментов было выполнено на основе метода конечных элементов с использованием объемной расчетной области при условии запредельного нелинейного поведения моделируемых материалов. Применение сеточных численных методов позволяет создавать геометрически и физически сложные расчетные модели и при этом манипулировать их состоянием в широких пределах. Результаты. В результате расчетов установлено, что при слабых связях между соседними слоями, действующие касательные напряжения их разрушают в окрестности выработки, и смежные породные слои деформируются с проскальзыванием друг относительно друга. Анализ поля приведенных напряжений позволил с достаточной для горнотехнических расчетов точностью обосновать единую усредненную структуру расчетной области, наиболее полно отражающей все основные особенности реального горного массива, влияющие на погрешность проводимых расчетов. Этот выбор обеспечивает величину привносимой погрешности в пределах 10% во всем диапазоне изменения механических параметров породных слоев горного массива. Научная новизна. Напряженно-деформированное состояние рамной крепи и закономерности его изменения с ростом глубины являются нелинейными, особенно при переходе близлежащих породных слоев в запредельное состояние; образование системы пластических шарниров по контуру рамной крепи способствует развитию таких ее перемещений, которые исключают возможность дальнейшей эксплуатации выработки. Практическая значимость. Выработанная методика позволяет определять оптимальные показатели поддержания горной выработки, пройденной в мелкослоистом породном массиве, что позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты.Мета. Обґрунтування методики прогнозу проявів гірського тиску в системі “шаруватий масив – кріплення виробки” на основі виявлення закономірностей зсуву довільної точки контуру підготовчої виробки при проведенні обчислювальних експериментів. Методика. Проведення обчислювальних експериментів було виконано на основі методу кінцевих елементів з використанням об’ємної розрахункової області за умови позамежного нелінійного поводження матеріалів, що моделюються. Застосування сіткових чисельних методів дозволяє створювати геометрично й фізично складні розрахункові моделі й при цьому маніпулювати їх станом у широких межах. Результати. У результаті розрахунків встановлено, що при слабких зв’язках між сусідніми шарами, діючі дотичні напруження їх руйнують в околиці виробки, і суміжні породні шари деформуються із проковзуванням один щодо одного. Аналіз поля наведених напруг дозволив з достатньою для гірничотехнічних розрахунків точністю обґрунтувати єдину усереднену структуру розрахункової області, що найбільше повно відбиває всі основні особливості реального гірського масиву, що впливають на погрішність проведених розрахунків. Цей вибір забезпечує величину погрішності, що привноситься, у межах 10% у всьому діапазоні зміни механічних параметрів породних шарів гірського масиву. Наукова новизна. Напружено-деформований стан рамного кріплення та закономірності його зміни з ростом глибини є нелінійними, особливо при переході прилеглих породних шарів у позамежний стан; утворення системи пластичних шарнірів по контурі рамного кріплення сприяє розвитку таких її переміщень, які виключають можливість подальшої експлуатації виробки. Практична значимість. Створена методика дозволяє визначати оптимальні показники підтримки гірничої виробки, яку пройдено в дрібношаруватому породному масиві, що дозволяє істотно знизити експлуатаційні витрати

State support of stability in Coal-Donbas regions

Purpose. To develop a new approach to feasibility assessment mechanism of supporting production facilities of loss-making mines in Donetsk and Dnipropetrovsk regions. Methods. To solve the objective set, a complex approach was used including as-sessment of enterprise investment attractiveness, determination of production potential, definition of the ability to switch to a break-even mode. The process for planning ways to save the industrial potential of coal-mining regions may be considered as the reflection of multidimensional space (initial and design values) into the one-dimensional (amount of investment money). Findings. It has been established that on the stage of building a model for managing mine unprofitability decrease processes, it is necessary to overview 8-10 factorial features, which may determine the formation of economic potential, taking into consideration peculiarities of remaining deposit bedding and their quality, as integral assessment of mine potential in terms of (state and non-state) investment perception. The objective set comes down to selection of the mini-mum number of factors, which would the most adequately reflect the mine internal potential expressed by economic value added – as a consequence of interaction of factors of coal mine economic activities in specific mining, geological and technological conditions. Originality. The academic novelty is that as a complex component of the state of the loss-making mine, it is reasonable to use an indicator of economic reliability, which synthesizes the capacity of links, economic level of technical and economic indicators and the amount of remaining deposits. The latter determine the residual life of the mine, physical content of the proposed indicators is not identical, and it is this fact, which allows for their joint use to obtain a more complete estimate than when using any single indicator. Practical implications. Practical significance includes actual assessment of the state of Donbass coal enterprises and determination of marginal break-even indicators, which allowed for the formation of recommendations for attracting financial resources

Organization of production activities of a regional coal-mining complex

Objective is to propose a new approach to investment allocation in the group of coal-mining enterprises. Methods. To solve the specified objective, a complex approach has been applied including assessment of enterprise investment attractiveness, determination of production potential, and definition of the possibility to switch to a break-even mode. The process of planning the ways to save industrial potential of coal-mining regions may be considered as the representation of multidimensional space (initial and design values) in terms of the one-dimensional (amount of investment money) one. Findings. It has been established that the stage dealing with the development of a model for managing processes for mine unprofitability reduction should involve consideration of 8-10 factorial features, which may determine the formation of economic potential, taking into account peculiarities of the remaining deposits and their quality, as the integral assessment of mine potential in terms of both state and non-state investments. The formulated objective means selection of the minimum number of factors, which would reflect in the most adequate way the internal potential of a mine expressed by economic added value – as a consequence of interaction of factors of coal mine economic activities in specific mining, geological, and technological conditions. Originality of the research is in the fact that it is expedient to use an indicator of economic reliability, which synthesizes the capacity of links, economic level of technical and economic indicators, and the amount of remaining deposits, as a complex component of the level of an unprofitable mine. The mentioned indicators determine the residual life of the mine. Their physical content is not identical; and it is the fact that helps (in terms of their joint use) obtain more complete estimate than when using any single indicator. Practical implications. Practical significance includes actual assessment of the state of Donbas coal enterprises and determination of marginal break-even indicators, which has made it possible to elaborate recommendations for attracting financial resources

Определение оптимального напряженно-деформированного состояния двухуровневого анкерного крепления при варьировании параметров установки канатных анкеров

Получены значения параметров определяющих поведение канатных анкеров при различных условиях взаимодействия с породным массивом. Выявлены особенности влияния перемещения очистного забоя на изменение напряженно-деформированного состояния сталеполимерных и канатных анкеров. Описаны условия минимизации внутренних усилий анкеров при которых обеспечивается устойчивость свода выработки, находящейся в зоне влияния очистных работ.Отримано значення параметрів, що визначають поводження канатних анкерів при різних умовах взаємодії з породним масивом. Виявлено особливості впливу переміщення очисного вибою на зміну напружено-деформованого стану сталевополімерних і канатних анкерів. Описано умови мінімізації внутрішніх зусиль анкерів при яких забезпечується стійкість склепіння виробки, яка перебуває в зоні впливу очисних робіт.The values of parameters determining the behavior of rope bolts are obtained for different conditions of interaction with the rock massif. The features of impact movement of the angle longwall face for the change in the stress-strain state of steel-polymer and rope bolts are revealed. The conditions of minimization internal efforts of bolts for providing stability of working arch in a zone of influence of extracting works are provided

Определение оптимального напряженно-деформированного состояния двухуровневого анкерного крепления при варьировании параметров установки канатных анкеров

Получены значения параметров определяющих поведение канатных анкеров при различных условиях взаимодействия с породным массивом. Выявлены особенности влияния перемещения очистного забоя на изменение напряженно-деформированного состояния сталеполимерных и канатных анкеров. Описаны условия минимизации внутренних усилий анкеров при которых обеспечивается устойчивость свода выработки, находящейся в зоне влияния очистных работ.Отримано значення параметрів, що визначають поводження канатних анкерів при різних умовах взаємодії з породним масивом. Виявлено особливості впливу переміщення очисного вибою на зміну напружено-деформованого стану сталевополімерних і канатних анкерів. Описано умови мінімізації внутрішніх зусиль анкерів при яких забезпечується стійкість склепіння виробки, яка перебуває в зоні впливу очисних робіт.The values of parameters determining the behavior of rope bolts are obtained for different conditions of interaction with the rock massif. The features of impact movement of the angle longwall face for the change in the stress-strain state of steel-polymer and rope bolts are revealed. The conditions of minimization internal efforts of bolts for providing stability of working arch in a zone of influence of extracting works are provided

The investigation of stability of the working roof supported by two-level roof bolting for dynamic characteristics of the geomechanical system

Сохранение эксплуатационных характеристик горных выработок, поддерживаемых анкерной крепью, с усложнением горно-геологических условий требует применения двухуровневой анкерной крепью. Для определения оптимальных параметров такой крепи необходимо определять условия установки отдельных анкеров при влиянии на них проходческого и очистного забоев. Это влияние на анкера, устанавливаемые в одной плоскости, изменяется во времени. Проведенный вычислительный эксперимент позволил определить область допустимых значений углов установки анкеров в условиях динамически изменяемого напряженно-деформированного состояния геомеханической системы.Збереження експлуатаційних характеристик гірничих виробок, які підтримуються анкерним кріпленням, з ускладненням гірничо-геологічних умов вимагає застосування дворівневого анкерного кріплення. Для визначення оптимальних параметрів такого кріплення необхідно визначити умови установки окремих анкерів при впливі на них прохідницького й очисного вибоїв. Цей вплив на анкери, які встановлені в одній площині, змінюється у часі. Проведений обчислювальний експеримент дозволив визначити область припустимих значень кутів установки анкерів в умовах динамічно змінюваного напружено-деформованого стану геомеханічної системи.Determine of optimum parameters for the installation of rope bolts in a two-level bolting support with a dynamic change of the rock massif condition