Simulation of the support-enclosing rock mass interaction for deep mining

Purpose. To develop analytical model for a support-enclosing rock interaction to determine parameters for operational stability of deep mine workings while decreasing metal consumption and increasing efficient use of resources. Methods. Involving various strength degradation functions and variations of physical and mechanical properties of rocks, mathematical modeling is used to consider the ranges of force action of a support on the enclosing rock mass of deep mine workings. Findings. Analytical dependence of a support effect on the rock border displacement as well as on the changes in cross section of the mine working has been obtained. Effective interval of the support force resistance to block limit zones of the rock mass deformations has been substantiated. Innovative approach relying on the priority of the support working capacity as well as its forming characteristics has been proposed. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining. Originality. It has been determined for the first time that 150 – 250 kN/m2 interval of a support resistance is the most efficient and achievable; while mining deepening (more than 1000 m), a support resistance achieves 350 – 400 kN/m2. Higher values are not practical. Practical implications. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining and to determine the required parameters of both force and deformational characteristics of supports making.Мета. Розробка аналітичної моделі взаємодії кріплення й масиву для визначення параметрів забезпечення експлуатаційної стійкості гірничих виробок на великих глибинах, зниження їх металоємності та підвищення ресурсозбереження. Методика. Математичним моделюванням із залученням різних функцій знеміцнення та варіації фізико-механічних властивостей гірських порід розглянуті діапазони силових впливів кріплення на масив, що містить виробку глибокого закладення. Результати. Встановлено аналітичну залежність впливу кріплення на зміщення породного контуру та зміну площі перерізу виробки. Обґрунтовано ефективний інтервал силового опору кріплення для блокування граничних зон деформацій масиву. Досліджено параметри працездатності кріплення та його утворюючих характеристик – робочого опору та конструктивної піддатливості як роботи, що забезпечує формування системи “кріплення – масив». Наукова новизна. Запропоновано новий науковий підхід, заснований на пріоритетності параметра працездатності кріплення та його утворюючих характеристик. Вперше встановлено, що найбільш ефективним і реально досяжним є інтервал опору кріплення 150 – 250 кН/м2, зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт понад 1000 м опір кріплення сягає 350 – 400 кН/м2, а більш – є недоцільним. Практична значимість. Результати досліджень з достатньою для практичного застосування точністю можуть використовуватися для визначення необхідних параметрів силових і деформаційних характеристик кріплень, дозволяють регламентувати практику використання існуючих кріплень та розробку нових конструкцій, що відповідають підвищеним геомеханічним вимогам великих глибин розробки.Цель. Разработка аналитической модели взаимодействия крепи и вмещающего массива для определения параметров обеспечения эксплуатационной устойчивости горных выработок на больших глубинах, снижения их металлоемкости и повышения ресурсосбережения. Методика. Математическим моделированием с привлечением различных функций разупрочнения и вариации физико-механических свойств горных пород рассмотрены диапазоны силовых воздействий крепи на вмещающий массив выработок глубокого заложения. Результаты. Получена аналитическая зависимость влияния крепи на смещение породного контура и изменения площади сечения выработки. Обоснован эффективный интервал силового отпора крепи для блокировки предельных зон деформаций массива. Исследованы параметры работоспособности крепи и образующих его характеристик – рабочего сопротивления и конструктивной податливости как работы, обеспечивающей формирование системы “крепь – массив”. Научная новизна. Предложен новый научный подход, основанный на приоритетности параметра работоспособности крепи и его образующих характеристик. Впервые установлено, что наиболее эффективным и реально достижимым является интервал отпора крепи 150 – 250 кН/м2, с увеличением глубины ведения горных работ более 1000 м отпор крепи может достигать 350 – 400 кН/м2, а более – является нецелесообразным. Практическая значимость. Результаты исследований с достаточной для практического применения могут использоваться для определения необходимых параметров силовых и деформационных характеристик крепей, позволяют регламентировать практику использования существующих крепей и разработку новых конструкций, отвечающих повышенным геомеханическим требованием больших глубин разработки.The authors express particular gratitude to Hennadii Hor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Senior Researcher of Donetsk Institute of Applied Mathematics and Mechanics for his help while carrying out the research and processing the results of the mathematical model

Research of efficiency roller compaction during construction of the tunnel by finite element method (FEM)

Досліджено напружено-деформований стан грунтового масиву прилеглого до контуру виробки при різних способах зведення кріплення з метою встановлення ефективності запропонованих нових технологічних схем будівництва. При дослідженні використано програмні модулі PLAXIS і SOLIDWORS, що дозволило розглянути поведінку елементів кріплення в пружній і пластичній постановці. В якості варіантів, які пройшли порівняння, використано типову схему зведення збірного залізобетонного кріплення, схему збірного кріплення з ущільненням бетону закріпного простору і схему будівництва з формування геотехнічних властивостей прилеглого ґрунтового контуру тунелю. Аналіз отриманих числових рішень МСЕ дозволив підтвердити високу ефективність запропонованих способів зведення тунелю.The stress-strain state of rock mass adjacent to the contour generation at various ways of lining construction to determine the effectiveness of the proposed construction of new technological schemes. In the study of software modules used PLAXІS i SOLIDWORS, that allowed us to consider the behavior of fastening elements in the elastic and plastic formulation. As variants of previous comparison, the typical scheme used precast concrete erection fixing, fixing scheme with precast concrete and seal construction scheme with the formation of geotechnical properties of soil adjacent loop tunnel. Analysis of the numerical solutions of the FEM has confirmed the high efficiency of the proposed method of construction of the tunnel.Исследовано напряженно-деформированное состояние грунтового массива прилегающего к контуру выработки при различных способах возведения крепи с целью установления эффективности предложенных новых технологических схем строительства. При исследовании использованы программные модули PLAXIS и SOLIDWORS, что позволило рассмотреть поведение элементов крепления в упругой и пластической постановке. В качестве вариантов прошедших сравнения, использовано типичную схему возведения сборного железобетонного крепления, схему сборного крепления с уплотнением бетона и схему строительства с формированием геотехнических свойств прилегающего грунтового контура тоннеля. Анализ полученных числовых решений МКЭ позволил подтвердить высокую эффективность предложенных способов возведения тоннеля

Investigation of the Change in the Strength Properties of a Soil Mass by Mechanical Sensing

Determination of depth distribution of strength characteristics and comparison with analytically determined values allows obtaining data on the depth of various morphological horizons, the presence of voids and inclusions. The sensing process occurs due to soil strengthening, which was considered in the analysis of changes in the penetration force. The present stage of development of means for determining the soil properties is characterized by the application of mechatronic systems, which allow obtaining data with high accuracy, reliability and performance. In order to develop the experimental sample, the basic approaches to the creation of a geomechatronic complex for surface soil monitoring, which determine the main objectives, application scope, quality criteria were developed. The presence of geotechnical deviations in the soil mass is accompanied by changes in the penetration force, which was proposed to be measured by a strain gauge dynamometer with the recording of the rod penetration depth. The program algorithm used is a cyclic structure in which the data are logically recorded from the force sensor and the step of the rod, which determines its position. The implementation of the developed algorithm allows determining penetration forces and changes in the strength parameters of the soil mass with high accuracy (0.05 %), which makes it possible, by comparing with the analytically determined distribution, to reveal the position of geoanomalies

ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРАВЛІЧНОГО ВПЛИВУ НА ТЕХНОЛОГІЧНУ СТІЙКІСТЬ МЕТРОТУНЕЛЮ МІЛКОГО ЗАКЛАДАННЯ В НАМИВНИХ МАСИВАХ

Purpose. On the basis of the results analysis of the computer simulation and laboratory studies it is necessary to determine the changes impact dependence of the hydraulic level of groundwater on the tunnels processing stability in the underground due to the deformations development of the surrounding dredging massif. Methodology. The methodological basis of the research complex consists of the analysis, generalization of known scientific results and practical experience of forecasting and preconditioning of deformations of tunnel and surrounding soil mass processing, as well as computer simulation of the critical stress-strain state of the tunnel processing at changes in the hydraulic level of groundwater. Findings. In the process of technological construction and under the non-pressure groundwaters impact, when operating tunnels of subway lines of shallow foundation, the stability of all-section machining is ensured due to the uniform hydrostatic reduction of processing. At this the sediments are within the permissible values. The results of the research show that different levels of hydrostatic pressure can occur when the groundwater level changes from both sides of the tunnel. At the same time, there is a redistribution of stresses of the soil mass around the cross section of the tunnel, which, in turn, leads to the appearance of additional non-uniform deformations and the opening of cracks in the tunnels during operation. Originality. The authors of the work firstly established the effect of changes in hydrostatic pressure, which may arise due to fluctuations in the level of groundwater on the whole-section processing of tunnels of metro lines of shallow foundation due to secondary sedimentation. The conditions of occurrence of the secondary sediment have been determined and the nature of the deformation course has been established during the operation of the shallow subway. Practical value. At the stage of designing the metro lines of the shallow foundation, it is necessary to take into account the possibility of uneven precipitation from the action of hydrostatic pressure during operation. This will avoid additional deformations during the seasonal period, reduce the number of current repairs, increase reliability and the useful life of the tunnel processing structures.Цель. На основе анализа результатов компьютерного моделирования и лабораторных исследований в научной работе необходимо установить зависимость влияния изменений гидравлического уровня грунтовых вод на устойчивость обработки тоннелей метрополитена за счет развития деформаций окружающего намывного массива. Методика. Методическую основу комплекса исследований составляют анализ, обобщение известных научных результатов и практического опыта прогнозирования, предупреждения деформаций обработок тоннелей и окружающего грунтового массива, а также компьютерное моделирование критического напряженно-деформированного состояния обработки тоннеля при изменении гидравлического уровня грунтовых вод. Результаты. В процессе технологического сооружения и под действием безнапорных подземных вод при эксплуатации тоннелей линий метрополитена мелкого заложения устойчивость сплошь-секционной обработки обеспечивается благодаря равномерному гидростатическому обжатию, при этом осадки тоннеля находятся в пределах допустимых значений. Результаты исследований показывают, что при изменении уровня подземных вод с обеих сторон тоннеля может возникать разное гидростатическое давление. При этом появляется перераспределение напряжений грунтового массива вокруг поперечного сечения тоннеля, а это, в свою очередь, приводит к возникновению дополнительных неравномерных деформаций и раскрытия трещин обработки тоннеля во время эксплуатации. Научная новизна. Авторами работы впервые установлено влияние изменения гидростатического давления, которое может возникать вследствие колебания уровня подземных вод на сплошь-секционную обработку тоннелей линий метрополитена мелкого заложения за счет вторичного оседания грунта. Определены условия возникновения вторичного осадка грунта и установлен характер протекания деформаций в период эксплуатации тоннелей мелкого заложения. Практическая значимость. На стадии проектирования линий метрополитена мелкого заложения необходимо учитывать возможность неравномерной осадки от действия гидростатического давления в период эксплуатации. Это позволит избежать дополнительных деформаций в сезонный период, уменьшить количество текущих ремонтов, повысить надежность и увеличить срок эксплуатации конструкций обработки тоннелей.Мета. На основі аналізу результатів комп’ютерного моделювання та лабораторних досліджень у науковій роботі необхідно встановити залежність впливу змін гідравлічного рівня ґрунтових вод на стійкість обробки тунелів метрополітену за рахунок розвитку деформацій оточуючого намивного масиву. Методика. Методичну основу комплексу досліджень складають аналіз та узагальнення відомих наукових результатів та практичного досвіду прогнозування і попередження деформацій обробок тунелів та оточуючого ґрунтового масиву, а також комп’ютерне моделювання критичного напружено-деформованого стану обробки тунелю при зміні гідравлічного рівня ґрунтових вод. Результати. В процесі технологічного спорудження та під дією безнапірних підземних вод при експлуатації тунелів ліній метрополітену мілкого закладання стійкість суцільно-секційної обробки забезпечується завдяки рівномірному гідростатичному обтисканню обробки, при цьому осідання тунелю знаходяться в межах допустимих значень. Результати досліджень показують, що при зміні рівня підземних вод по обидва боки тунелю може виникати різний гідростатичний тиск. При цьому з’являється перерозподіл напружень ґрунтового масиву навколо поперечного перерізу тунелю, а це, в свою чергу, призводить до виникнення додаткових нерівномірних деформацій та розкриття тріщин обробки тунелю під час експлуатації. Наукова новизна. Авторами роботи вперше встановлено вплив зміни гідростатичного тиску, що може виникати внаслідок коливання рівня підземних вод, на суцільно-секційну обробку тунелів ліній метрополітену мілкого закладання через вторинне осідання ґрунту. Визначені умови виникнення вторинного осідання ґрунту та встановлено характер протікання деформацій у період експлуатації тунелів мілкого закладання. Практична значимість. На стадії проектування ліній метрополітену мілкого закладання необхідно враховувати можливість нерівномірного осідання від дії гідростатичного тиску в період експлуатації. Це дозволить уникнути додаткових деформацій у сезонний період, зменшити кількість поточних ремонтів, підвищити надійність та збільшити термін експлуатації конструкцій обробки тунелів

RESEARCH OF HYDRAULIC IMPACT ON THE TECHNOLOGICAL STABILITY OF SHALLOW METROTUNNEL IN DREDGING MASSIVES

Purpose. On the basis of the results analysis of the computer simulation and laboratory studies it is necessary to determine the changes impact dependence of the hydraulic level of groundwater on the tunnels processing stability in the underground due to the deformations development of the surrounding dredging massif. Methodology. The methodological basis of the research complex consists of the analysis, generalization of known scientific results and practical experience of forecasting and preconditioning of deformations of tunnel and surrounding soil mass processing, as well as computer simulation of the critical stress-strain state of the tunnel processing at changes in the hydraulic level of groundwater. Findings. In the process of technological construction and under the non-pressure groundwaters impact, when operating tunnels of subway lines of shallow foundation, the stability of all-section machining is ensured due to the uniform hydrostatic reduction of processing. At this the sediments are within the permissible values. The results of the research show that different levels of hydrostatic pressure can occur when the groundwater level changes from both sides of the tunnel. At the same time, there is a redistribution of stresses of the soil mass around the cross section of the tunnel, which, in turn, leads to the appearance of additional non-uniform deformations and the opening of cracks in the tunnels during operation. Originality. The authors of the work firstly established the effect of changes in hydrostatic pressure, which may arise due to fluctuations in the level of groundwater on the whole-section processing of tunnels of metro lines of shallow foundation due to secondary sedimentation. The conditions of occurrence of the secondary sediment have been determined and the nature of the deformation course has been established during the operation of the shallow subway. Practical value. At the stage of designing the metro lines of the shallow foundation, it is necessary to take into account the possibility of uneven precipitation from the action of hydrostatic pressure during operation. This will avoid additional deformations during the seasonal period, reduce the number of current repairs, increase reliability and the useful life of the tunnel processing structures