Украины национальный горный университет мещанинов сергей карминович удк 622. 831: 6

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МЕЩАНИНОВ Сергей Карминович УДК 622. 831: 622.23.004.15 НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ КАК УПРАВЛЯЕМОГО ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА Специальность 05.15.09 – «Геотехническая и горная механика» Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Днепропетровск – 2009 Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре строительс тва и геомеханики Национального горного университета Министерства образования и науки Украины (г. Днепропетровск) Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шашенко Александр Николаевич заведующий кафедры строительства и геомеханики Национального горного университета Министерства образования и науки Украины (м. Днепропетровск) Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сдвижкова Елена Александровна заведующая кафедры высшей математики Национального горного университета Министерс тва образования и науки Украины (г. Днепропетровск) доктор технических наук, профессор Петренко Владимир Дмитриевич заведующий кафедры тоннелей, основ и фундаментов Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта им. акад. В. Лазаряна Министерс тва транспорта и связи Украины доктор технических наук, доцент Борщевский Сергей Васильевич профессор кафедры строительс тва шахт и подземных сооружений Донецкого национального технического университета Министерства образования и науки Украины Защита состоится " 05 " июня в 2009 г. в 12.00 часов на заседании специализированного ученого совета Д 08.080.04 из защиты диссертаций в Национальном горном университете Министерс тва образования и науки Украины по адресу: 49600, г. Днепропетровск, пр. К. Маркса, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального горного университета Министерства образования и науки Украины.

Автореферат разослан " 05 " мая в 2009 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета А. В. Солодянкин кандидат технических наук, доцент ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ ИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время опыт работы передовых отечественных и зарубежных угольных шахт свидетельствует о том, что одним из наиболее рациональных путей дальнейшего развития угледобывающей отрасли является использование высоконагруженных лав. Их эксплуатация характеризуется использованием технологического оборудования, приконтурной области массива и прилегающих выработок с высоким значением коэффициента готовности. В благоприятных горно-геологических условиях такие лавы способны ежемесячно добывать свыше 100 тыс т угля. Высокой уровень травматизма отмечается в очистных забоях из-за обрушений пород в результате повышенного и непредсказуемого проявления горного давления, которое возникает как следствие существенно возросших скоростей подвигания лав. Весьма важным на газонасыщенных угольных плас тах является газовый фактор, существенно сдерживающий рост нагрузок на лаву. Конструкции механизированных крепей лав и их сопряжений со штреками, а также охранные конструкции оказываются в процессе работы сильно нагруженными, что нередко приводит к их разрушению, и, как следствие, к травмированию горнорабочих, в связи с чем, к их психофизиологическим и профессиональным качествам предъявляются специальные требования.

Таким образом, одной из проблем на сегодняшний день является отсутс твие достаточных знаний о геомеханических процессах в приконтурной облас ти массива, вмещающей очистной забой. Это связано с тем, что очис тной забой характеризуется непос тоянс твом расположения во времени и пространстве, структурной неоднородностью геологической среды, что, в свою очередь, создает неопределенность геомеханической информации по фактору «устойчивость приконтурной области». Поэтому, достаточно актуальной является разработка методики геомеханического прогноза и управления уровнем промышленной безопасности очистного забоя, в основу работы которой входило бы использование комплексной системы контроля и управления - системы нового технического уровня.

В Украине в настоящее время экономические потери по причине аварий в угольных шахтах составляют около четвертой части от стоимости добываемого угля. Все еще высок уровень травматизма и смертельных случаев. Причины неадекватно низкой производительности высоконагруженной лавы, насыщенной современным высокопроизводительным оборудованием нового технического уровня и высокого уровня травматизма, а также различного рода отказов оборудования, как правило, заключаются в несоответствии ее организационно технического уровня уровню развития системы контрольно - управляющих связей между элементами и подсистемами. Такую функцию должна выполнять комплексная система контроля и управления, которая бы позволила осуществлять своевременный и оперативный прогноз изменения состояния и условий функционирования очистного забоя как управляемого геомеханического объекта.

Для создания комплексной сис темы контроля и управления необходимы разработка ее структуры, основных требований и обоснование набора информативных параметров для осуществления адекватных функций контроля и прогноза, а также моделирование очис тного забоя как управляемого геомеханического объекта и его взаимодействия с комплексной системой контроля и управления.

Поэтому создание научных основ обеспечения надежности функционирования очистного забоя на основе знания геомеханических закономерностей поведения системы «очис тной забой – вмещающие породы», является актуальной научной проблемой, которая имеет важные народнохозяйственное, социальное и прикладное значение.

Связь работы с научными работами, планами, темами:

Работа выполнялась в рамках госбюджетных тем ИГТМ НАН Украины: № «Разработать научные основы добычи угля и газа путем использования внутренней энергии горного массива с целью создания безопасных и малоэнергоемких технологий», № госрегистрации: 0199U001753;

№45 «Разработать физико технические основы использования энергии горного давления управлением состояния массива на границе разрушения», № госрегистрации 0199U001751;

хозрасчетной темы 7-21-0910202000-191 «Разработка средств и систем автоматизации и компьютеризации технологических процессов и оборудования угледобывающих и других предприятий, управление производством на всех уровнях, а также средств и систем связи», которая проводилась во время совместной работы института «Автоматгормаш им. В. А. Антипова» и ИГТМ НАН Украины при подготовке технического задания на «Систему дистанционного управления из безопасного расстояния для очис тных машин и комплексов, что обеспечивает их работу в условиях выбросоопасноти» в 2002 г. в рамках программы «Разработка средств и систем автоматизации и компьютеризации технологических процессов и оборудования угледобывающих и других предприятий, управление производством на всех уровнях, а также средств и систем связи» и в Национальном горном университете при выполнении хоздоговорной темы НИИ горных проблем академии инженерных наук Украины АД – 262 «Анализ технических и организационных предложений по отработке выемочных столбов свыше 700 м для обеспечения спасения людей и безопасного выполнения горноспасательных работ в условиях шахт Западного Донбасса».

Целью диссертационной работы является создание научных основ обеспечения надежности функционирования очистного забоя как управляемой геомеханической системы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить перспективы и с тратегии развития угледобывающей отрасли Украины. Выполнить анализ проблемы обеспечения надежности функционирования очистных забоев шахт Украины.

2. Выполнить аналитические исследования процесса разрушения горных пород на основе термодинамического подхода.

3. Выполнить лабораторные и натурные исследования закономерностей протекания геомеханических процессов в породном массиве при очистных работах.

4. Выполнить исследования геомеханических процессов изменения устойчивости приконтурной области массива, содержащей очистной забой с использованием метода конечных элементов и энтропийно-интегрального критерия.

5. Выполнить анализ эффективнос ти существующих элементов систем контроля и сформулировать основные требования к комплексной системе контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя.

6. Обосновать набор информативных параметров комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очис тного забоя.

7. Выполнить моделирование очистного забоя как управляемого геомеханического объекта.

Идея работы состоит в использовании термодинамического подхода к анализу надежности функционирования очистного забоя, как управляемого геомеханического объекта.

Объектом исследований являются геомеханические и термодинамические процессы, которые протекают в породном массиве при подземной добыче угля, факторы, определяющие ус тойчивость приконтурной области массива и надежность работы технологического оборудования;

человеческий и газовый факторы, влияющие на эффективнос ть и безопасность ведения очис тных работ, принципы организации и построения системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя.

Предмет исследования - подсистемы очистного забоя и их элементы, системы контроля и управления надежностью его функционирования.

Методы исследований. Теоретический анализ, методы термодинамики необратимых процессов, кинетической теории прочнос ти;

лабораторные исследования образцов горных пород и шахтные исследования поведения породного массива и рабочего пространс тва лавы;

системный подход к обоснованию комплекса известных и новых приборов, методов измерений и оборудования систем контроля применительно к технологиям ведения очистных работ, методы прикладного компьютерного моделирования комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Приращение энтропии пород приконтурной облас ти массива является интегральным параметром, который характеризует их напряженно деформированное состояние, находится в линейной зависимости от объема отбиваемых пород, коэффициента Пуассона, эквивалентного напряжения, изменения внутренней энергии и в обратно пропорциональной зависимости от модуля Юнга и температуры пород, что позволяет прогнозировать возникновение критических деформаций породного массива.

2. Отношение натурального логарифма от частного критического значения энтропии пород приконтурной облас ти массива и ее начального значения к скорости изменения энтропии позволяет определять устойчивость приконтурной области массива по изменению величины энтропии пород приконтурной области и оценивать продолжительнос ть сохранения ее устойчивости.

3. Отношение натурального логарифма от величины, обратной тангенсу угла диэлектрических потерь tg или относительной диэлектрической проницаемос ти породы к скорости их изменения в процессе разрушения горной породы пропорционально энтропии и дает возможность определять состояние пород приконтурной облас ти.

4. Изменение энтропии пород кровли очистной выработки находится в экспоненциальной зависимости от величины шага первичного и установившегося обрушения;

при этом скорость изменения энтропии пород кровли очистной выработки уменьшается с ростом скорости подвигания лавы, что позволяет по этому фактору прогнозировать акт первичного или установившегося обрушения.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые дано научное обоснование нового подхода к решению комплексной проблемы обеспечения надежности и эффективнос ти функционирования очистного забоя, как основной производственной единицы современной угольной шахты, исходя из потребнос тей государства в каменном угле.

В основу подхода положено предс тавление об очистном забое, как сложной технической системе типа «человек – машина – среда».

2. Установлена взаимосвязь между энтропией пород приконтурной области массива, вмещающего очистной забой и его устойчивостью. Результаты проведенных исследований положены в основу научного открытия «Закономерность изменения устойчивости породных обнажений при периодических нагрузках», зарегистрированного в 2000 г. (диплом № 151).

3. Впервые показано, что надежнос ть функционирования очистного забоя определяется произведением вероятностей надежной работы по группам факторов:

«газовому», «устойчивости приконтурной области», «работы технологического оборудования» и «человеческому».

4. Установлена взаимосвязь приращения энтропии пород приконтурной области массива, вмещающего очистной забой и их термодинамических и геомеханических параметров.

5. Установлена зависимость устойчивости кровли очистного забоя от величины энтропии пород приконтурной области. Сформулированы локальный и интегральный энтропийные критерии разрушения элемента горной породы и участка породного массива, содержащего очистную выработку.

6. Разработаны структурная, математическая, оптимизационная математическая модели надёжности функционирования очистного забоя и имитационная компьютерная модель комплексной системы контроля и управления.

Обоснованность и достоверность научных положений и основных выводов обосновывается корректнос тью принятых подходов и исходных данных, которые основываются на применении комплексного метода исследований функционирования очистного забоя, как основной производственной единицы угольной шахты и системного подхода к обоснованию методологии контроля и управления надежнос тью его функционирования, фундаментальных положениях термодинамики необратимых процессов, теории управления, теории надежности и моделирования, а также достаточным объемом данных и анализом их методами теории вероятностей и математической статистики с доверительной вероятностью не ниже 0,9;

положительными результатами внедрения разработок в производство.

Научное значение диссертации состоит в установлении взаимосвязи между энтропией пород приконтурной области породного массива, вмещающего очистную выработку и его устойчивостью, а также в разработке математической, оптимизационной математической и имитационной компьютерной моделей надёжнос ти функционирования очистного забоя, как управляемого геомеханического объекта.

Практическое значение полученных результатов.

1. Для анализа технико-экономического состояния очистного забоя получено условие его надежного функционирования и предложена математическая модель работы комплексной системы контроля и управления.

2. Разработана с труктурная модель комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя, который, как основная производственная единица угольной шахты, в отличие от аналогичных производственных систем в других отраслях промышленности, характеризуется значительной неопределенностью рабочих мест, что вызвано отсутствием достоверных данных о свойствах и состоянии породного массива и технологического оборудования (факторы устойчивости приконтурной области и работы технологического оборудования);

атмосферы рабочего прос транс тва лавы (газовый фактор);

поведения обслуживающего персонала (человеческий фактор).

3. Использование разработанных локального и интегрального критериев оценки устойчивости кровли очистной выработки в практике ведения горных работ позволит наиболее дос товерно прогнозировать первичный и установившийся шаги обрушения кровли, что существенно повысит надежность и эффективность ведения очистных работ 4. Разработана имитационная компьютерная модель комплексной системы контроля и управления надежнос тью функционирования очистного забоя, которая может быть использована для создания системы контроля и управления надежнос тью функционирования очис тного забоя для конкретной угольной шахты.

5. Разработана «Методика определения энтропии образцов горных пород в лабораторных условиях».

6. Разработаны «Рекомендации по созданию комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя».

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы инс титутом Донгипроуглемаш в виде «Технических требований к созданию технологического оборудования очистных забоев с использованием комплексной системы контроля и управления надежностью их функционирования»;

институтом «Автоматгормаш им. В. А. Антипова»;

Национальным горным университетом в виде «Методики определения энтропии образцов горных пород в лабораторных условиях».

Личный вклад автора. Автором самостоятельно сформулированы цель, идея, задачи, выбраны методы исследований, обоснованы научно-технические и методологические основы обеспечения надежности функционирования очистного забоя. Основные научные результаты, выводы и рекомендации получены и сформулированы автором самостоятельно. Содержание диссертации изложено автором лично.

Апробация результатов работы. Основные научные положения работы и ее отдельных разделов докладывались и получили одобрение на 5 - м Польско – Украинском семинаре по механике материалов и конструкций (Днепропетровск, 1997);

10 - й научной школе «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Алушта, г.);

Международном симпозиуме по горному делу и освоению подземных пространств (Днепропетровск, 2001), 3-й Промышленной конференции и выставке с международным участием «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Славское, 2003), Украинско Польском форуме горняков (Ялта, 2004), Научно-технической конференции «Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли» (Макеевка, 2004), Международном симпозиуме «Неделя горняка - 2005» (Москва, 2005), Форуме горняков – 2005 (Днепропетровск, 2005), Международной научно-технической конференции «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості – 2006» (Кривой Рог, 2006), Международной научно-технической конференции «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості – 2007» (Кривой Рог, 2007), Международной научно-технической конференции «Школа підземної розробки» (Ялта, 2007), Международном симпоз иуме «Неделя горняка - 2008» (Москва, 2008), Международной научно-практической конференции «Геотехнологии и управление производством XXI века» (Донецк, 2008), Международном коллоквиуме им. М.М.

Протодьяконова «Проблемы геомеханики, разрушения и прочнос ти горных пород» (Днепропетровск, 2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 35 научных работах, в том числе 14 – в материалах научно-технических конференций, монография, научное открытие, 15 работ опубликовано без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов, заключения, списка использованных ис точников из 260 наименований на 25 страницах и четырех приложений на 6 страницах. Содержит 264 с траниц машинописного текста, 74 рисунка и 10 таблиц. Общий объем 319 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Опыт передовых отечес твенных и зарубежных угольных шахт показывает, что наилучших результатов по повышению надежнос ти ведения очистных работ можно достичь путем создания автоматизированных систем контроля и прогноза геомеханической ситуации – комплексных систем контроля и управления, действие которых основано на геомеханическом мониторинге состояния вмещающего очистную выработку участка породного массива. Взаимодействие комплексной системы контроля и управления с очистным забоем показано на рис. 1.

Естественным продолжением развитых на сегодняшний день аналитических, численных и экспериментальных методов контроля, управления и прогноза состояния приконтурной области массива должен быть комплексный подход, основанный на использовании энтропии как комплексного интегрального информативного параметра. Целью исследований является разработка нового научного подхода к решению важной научной проблемы – разработке научных основ обеспечения надежности функционирования очистного забоя на основе знания геомеханических закономерностей поведения системы «очистной забой – вмещающие породы».

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ Отчетная информация, аварийная Управляемая геомеханическая система – сигнализация очистной забой Атмосфера очистного Управ забоя ляю щие сигна Приконтурная область лы Технологическое оборудование Обслуживающий персонал Сбор Управл инфор яющие дейст мации вия Рис. 1. Структура взаимодействия очистного забоя, как управляемой геомеханической системы с комплексной системой контроля и управления надежнос тью его функционирования Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить перспективы и с тратегии развития угледобывающей отрасли Украины. Выполнить анализ проблемы обеспечения надежности функционирования очистных забоев шахт Украины.

2. Выполнить аналитические исследования процесса разрушения горных пород на основе термодинамического подхода.

3. Выполнить лабораторные и натурные исследования закономерностей протекания геомеханических процессов в породном массиве при очистных работах.

4. Выполнить исследования геомеханических процессов изменения устойчивости приконтурной области массива, содержащей очистной забой с использованием метода конечных элементов и энтропийно-интегрального критерия.

5. Выполнить анализ эффективнос ти существующих элементов систем контроля и сформулировать основные требования к комплексной системе контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя.

6. Обосновать набор информативных параметров комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очис тного забоя.

7. Выполнить моделирование очистного забоя как управляемого геомеханического объекта. Разработать рекомендации по созданию комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очис тного забоя Очистную выработку можно рассматривать как сложную техническую систему, состояние которой определяется рядом подсис тем, таких как технологическое оборудование, шахтная атмосфера, подземные рабочие, которые находятся в искусственно созданной полости (выработке), ограниченной приконтурной областью массива, которая является еще одной подсистемой. Все эти подсистемы, функционируют по схеме последовательно соединенных элементов.

Подсистема «Приконтурная облас ть» полностью определяет надежность функционирования всех остальных подсистем, являясь, в то же время зависимой от их действий.

Классификация подходов позволяющих описывать геомеханические процессы в породном массиве приведена на рис. 2.

Последние исследования в области моделирования породного массива и технологических процессов изложены в работах А.Ф. Булата, В. В. Виноградова, В. Н. Вылегжанина, Д.Д. Глазова, П.В. Егорова, В.В. Назимко, А. Н. Ставрогина, А. Н.

Шашенко, и других ученых.

Основным недостатком данного подхода является сложность в достижении приемлемого уровня соответс твия между процессами, реально идущими в породном массиве «идущими» в модели.

Методы современного геомониторинга, несмотря на возможность получения и переработки большого объема геомеханической информации, имеют весьма существенный недостаток - контроль многих параметров, который они успешно реализуют, – малоперспективен. Это связано, в первую очередь, с тем, что при многопараметровом контроле предельное число факторов, которое может быть учтено в модели и при этом она поддается анализу, не может превышать четырех.

Подходы к определению геомеханического состояния приконтурной области массива, содержащего горную выработку 2. Подходы, 3. Подход, 1. Подходы, основанные на основанный на основанные на контроле контроле моделировании параметров пород интегрального породного приконтурной параметра, массива и области и хода характеризующего технологических технологических состояние выработки процессов процессов как управляемого геомеханического (геомониторинг) объекта Рис. 2. Подходы к определению геомеханического состояния пород приконтурной облас ти массива Использование энтропии как интегрального параметра, который характеризует геомеханическое состояние исследуемого участка породного массива в сочетании с методами современного геомониторинга, позволит существенно повысить достоверность определения и прогноза состояния горной выработки как сложной технической системы.

Это объясняется, в первую очередь, своего рода, уникальностью энтропии, как параметра, непосредственно характеризующего степень нарушеннос ти (поврежденности) пород, которые составляют приконтурную область массива. С другой стороны, величина энтропии не может быть определена путем прямых измерений. Значительный интерес представляют исследования в данном направлении, сделанные в работах В. Н. Вылегжанина, П.В. Егорова, А.Н. Зорина, В. В. Назимко, Б.К. Нореля, Г.Т. Рубца и других ученых.

Для прогнозирования поведения горных пород и возможных масштабов разрушений наиболее целесообразно использовать вероятностные методы исследований с соответствующей физико-статистической моделью разрушения. В классической модели наиболее слабого звена предполагается, что разрушение элементарного объема материала определяется локальной прочностью наименее прочного элемента, и неустойчивое развитие одной трещины приводит к разрушению всего объема. Хотя такая модель и является эффективным средством решения некоторых практических задач механики горных пород, но в большинстве случаев она ограничена и не отражает физ ической сущности процессов деформирования и разрушения горных пород.

Таким образом, задачу исследования накопления повреждений в горной породе можно свести к исследованию модели материала (горной породы), в соответс твии с которой:

1. Горная порода предс тавляет собой неоднородный стохастически трещиноватый материал, который состоит из большого количества структурных связей различной степени прочности с функцией вероятнос ти разрушения Р(), с помощью которой определяется относительное количество разрушенных связей при напряжениях, не превышающих R c.

2. Прочнос ть (жесткость) связей является случайной величиной, распределенной по какому-то закону;

3. Прочность всей системы R определяется суммой прочностей всех стержней n R = Ri ;

i= 4. По мере разрушения наиболее нагруженных связей, нагрузка перераспределяется на менее нагруженные (менее жесткие) связи;

5. Величина предела прочности убывает от R c до Rост по какому-то закону;

6. Интерес для исследований представляет только запредельная ветвь полной кривой напряжение – деформация;

7. Нагружение образцов необходимо осуществлять в режиме заданных деформаций.

Используя обоснованный выбор функции вероятнос ти разрушения – функцию распределения Седракяна, сделанный Г.Т. Рубцом, было получено аналитическое выражение для определения информационной энтропии S горной породы:

q S = ln + 1, (1) bq где q и b – параметры, которые определяются графически по полной кривой напряжение-деформация.

Если величину S принять как меру поврежденности горной породы, то изменение поврежденности при циклической нагрузке предлагается определять таким образом:

S = Si Si 1, (2) где n – номер цикла нагрузки.

Информационная энтропия содержит информацию о количестве разрушенных в горной породе с труктурных связей, не будучи при этом однозначной характеристикой энергии, затрачиваемой на ее разрушение.

В связи с этим, представляло интерес определить значение термодинамической энтропии горных пород. В общем случае, изменение термодинамической энтропии состоит из двух частей:

dS = d e S + di S, (3) где d e S 0 при теплообмене и другом взаимодействии с внешней средой;

di S = для обратимых процессов.

Очевидно, что энергия, затраченная на его разрушение равна площади области, заключенной между запредельной ветвью полной кривой напряжение – деформация и прямой = Rост (рис. 3).

Рис. 3. Обобщенный вид диаграммы деформирования горной породы в режиме заданных деформаций Таким образом, справедливое следующее выражение:

c E д = ( )d. (4) ост Самой удобной для аналитического описания с точки зрения правильнос ти описания процесса снижения прочнос ти образцов горных пород является с тепенная функция.

Применительно к цели исследований, эта функция имеет следующий вид:

( ) = A / 2 B. (5) Принимая величину коэффициента ос таточной прочности для хрупких горных пород, коэффициенты A и B из соотношения (5) можно определить из условия:

A Rc = 2 B, c (6) A k R = B.

ост c ост Из последнего соотношения при условии kост 0,1 имеем:

(Rост Rc ) ост с2 ;

B = (Rост Rc ) ост R.

2 A= (7) ост с2 ост с2 c 2 Подс тавляя полученный вид функции ( ) в (6), интегрируя и подставляя пределы интегрирования, получаем выражение для определения критического (соответствующего разрушению) значения энтропии горной породы:

A 1 1 B A 1 E + ( ост с ) S = д =, (8) T T ост с T T ост с где T – температура.

Знак приближенного равенства в выражении (8) поставлен в связи с тем, что мы пренебрегаем вторым слагаемым, как величиной второго порядка малости.

Пример такой зависимости представлен на рис. 4.

18 Рис. 4. Зависимость 16 термодинамической энтропии 14 12 невыбросоопасного песчаника от Энтропия 10 величины деформации за пределом прочности Взаимосвязь величины энтропии пород приконтурной области массива, - - - - - - - - - E E E E 0E E 0E 0E E 0, 0, который содержит горную выработку, и, 8, 9, 9, 9, 1, 1, 1, 1, деформ ация, м потенциальной энергии их НДС, является необходимым и дос таточным условием разработки принципиально новых, более точных методов определения и прогноза геомеханического состояния участка массива, который разрабатывается. Используя эквивалентное напряжение, как величину, наиболее адекватно характеризующую НДС породного массива, получаем аналитическое выражение первого начала термодинамики в форме, наиболее пригодной для описания процесса освобождения потенциальной энергии НДС массива на границе разрушения:

(1 2 ) e ]dV, dS = [dU 4 (9) T E где dU – изменение внутренней энергии;

и E – коэффициент Пуассона и модуль Юнга соответственно;

dV – объем отбиваемой породы.

Полученное выражение может быть использовано для определения степени приближения состояния приконтурной области массива к предельному, то ес ть для прогноза возникновения больших деформаций.

На рис. 5 представлены некоторые результаты лабораторных испытаний образцов горных пород. Целью исследований было установление взаимосвязи информационной энтропии образцов горных пород от степени их нарушеннос ти.

Методика эксперимента заключалась в следующем. Образец нагружался на жестком прессе в режиме заданных деформаций до предела прочности. По ходу нагружении фиксировались значения и. При достижении предела прочнос ти образец начинал разрушаться, что было видно по прекращению роста, нагрузку снимали, после чего начинали следующий цикл нагружения. Так постепенно образец доводили до разрушения, одновременно фиксируя значения и каждого цикла. По полученным данным с троилась полная кривая напряжение - деформация, и по ней определялась величина информационной энтропии горной породы.

Таким образом, энтропия является количес твенной обобщенной мерой накопленных в материале повреждений. Критерий длительной устойчивости можно записать в виде:

S S, (10) где S – значение энтропии в момент, предшествующий разрушению.

С привлечением кинетической теории прочности критерий оценки устойчивости может быть аналитически выражен таким образом:

S = S0 exp(k st ), (11) где S0 – начальное значение энтропии неповрежденной породы, k S – скорость роста энтропии.

Рис. 5. Зависимость информационной энтропии образцов аргиллита (шахта. им.

А. А. Скочинского, горизонт 1100 м) от приложенного напряжения в каждом цикле нагружения;

номер кривой соответс твует номеру цикла нагружения Из (11) может быть найдено время сохранения устойчивости приконтурной областью массива:

ln( S* / S 0 ) t=. (12) ks Для вычисления энтропии, которая непосредственно измерена быть не может, необходим контроль механических характеристик пород, которые слагают обнажение. В большинс тве случаев, определение механических характеристик горных пород предс тавляет определенные труднос ти. В значительной степени подобные труднос ти увеличиваются и, как правило, приводят к невозможности проведения испытаний в случае осуществления прогноза, когда необходимо проводить периодические измерения в шахтных условиях. В этом смысле наиболее интересным представляется установление взаимосвязи диэлектрических свойств горных пород как параметров их поврежденнос ти с энтропией. Результаты этих исследований приведены на рис. 6.

Аналогичные результаты были получены и при натурных измерениях диэлектрических свойств горных пород в кровле очистной выработки и их энтропии. Полученные экспериментальные результаты позволили получить эмпирическую формулу:

a b ln tg ln =, S= (13) k tg k где k tg и k – скорости изменения соответственно тангенса угла диэлектрических потерь tg и относительной диэлектрической проницаемос ти горной породы, а и b – эмпирические параметры, которые характеризуют угол наклона кривых (определяемые физико-механическими свойствами пород, условиями их залегания и т.п.).

- диєлектрическая -1,2 1 2 3 4 5 6 7 8 проницаемость Относительная Энтроп ия, S -1, -1, -1, - Число ц икло в нагруж ени я, n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Число циклов нагружения, n Рис. 6. Зависимость относительной диэлектрической проницаемос ти и информационной энтропии S от числа циклов нагружения, песчаник, шахта им. А. А.

Скочинского, горизонт 1100 м, «кубик» Предс тавленная на Рис. 7 экспериментальная кривая наглядно иллюстрирует известный факт повышения в определенных горно-геологических условиях устойчивости кровли выработки при увеличении скорости ее подвигания.

Рис. 7. Зависимость скорости изменения 0, энтропии от величины шага установившегося С корость изме нения энтропии 0, обрушения;

условия шахт ГП 0, «Луганскуголь», породы кровли – алевролит 0, 0, 0, 0, 20 30 40 ве личина у становившег ося обру ше ния, м Используя положение о том, что энтропия горной породы является количественной мерой накопленных ею повреждений, разрушение элемента горной породы и учас тка массива, который содержит очистную выработку, схематически можно изобразить так, как это показано на рис. 8.

В предположении, что Rc Rc получаем следующее соотношение:

R е m R c Rm или е Rm. (14) Rc Последнее выражение имеет предельно простой смысл, говорящий о том, что разрушение произойдет тогда, когда эквивалентное напряжение е, действующее на элемент массива, будет равно или больше предела его прочности на одноосное сжатие.

На рис. 4 – 6 приведены результаты исследований роста энтропии горных пород от с тепени их нарушенности (поврежденности). Аппроксимация этих зависимостей, показывает, что они описываются экспоненциальной функцией вида:

= A exp( S k ), (15) где А – параметр, который характеризует крутизну зависимости, k – интенсивность изменения прочности горной породы.

Монотонный характер зависимости (15), позволяет сделать вывод о существовании функциональной зависимости между пределом прочности образцов горных пород и их энтропией.

Разрушение элемента Разрушение участка породного массива породного массива Накопление разрушенных Деформирование, элементов в участке породного накопление массива микроповреждений – рост (рост энтропии) энтропии Критическое состояние Критическое число (критическое значение разрушенных элементов в энтропии горной породы участке породного массива (критическое значение S ) энтропии) Потеря устойчивости Разрушение вследствие предельного накопления повреждений (достижения величиной энтропии своего предельного значения S ) а) б) Обрушение Рис. 8. Разрушение элемента горной породы (а) и участка массива, который содержит очистную выработку (б) В связи с этим, справедливо следующее выражение:

S = f (Rc ). (16) Учитывая монотонный характер предс тавленной графической зависимости и непрерывность кривых, должна быть справедливой и обратная зависимость:

Rc = f (S ). (17) Тогда выражение (14) может быть переписано в виде:

е A exp( S k ). (18) Последнее выражение является локальным энтропийним критерием разрушения породного массива (элемента породного массива).

Переходя к диэлектрическим параметрам с помощью соотношения (13), последнее выражение может быть переписано в следующем виде:

a ln tg крит., ktg е (19) b ln tg крит..

k Локальный термодинамический критерий разрушения, представленный в виде (20), имеет вид, полнос тью пригодный для практического применения, поскольку содержит физические параметры горной породы, которые реально измеряются (в отличие от энтропии). Выражение (20) дает принципиальную возможность оценивать устойчивость элементов породного массива, которые составляют приконтурную облас ть на основе данных неразрушающего контроля диэлектрических параметров горных пород.

Очевидно, что практический интерес представляет оценка ус тойчивости участка кровли очистной выработки в стадии первичного и установившегося обрушений. В связи с этим, целью последующих исследований была разработка интегрального термодинамического критерия оценки ус тойчивости кровли очистной выработки.

Используем интегральный критерий прочнос ти, предложенный А.Н. Шашенко и Н. В. Хозяйкиной:

Rc kc h sin a=, (20) h Rc k c где – угол падения плас та, h – его мощность и – удельный вес пород.

С помощью полученного ранее выражения (9) для приращения энтропии пород приконтурной области массива, может быть получен интегральный критерий разрушения участка породного массива.

Для этого проинтегрируем (9) по объему:

(1 2 ) 2 dV, S = dS = dU 4 (21) e T V E V где dV – объем элемента породного массива, который разрушается.

Только 10 – 15% работы сил, которые вызывали деформацию горных пород, переходит в тепло. Учитывая то, что это находится в пределах погрешности, которая допускается при натурных измерениях в породном массиве, этой частью работы сил деформации можно пренебречь.

Воспользовавшись дальше известным выражением энтропийного критерия разрушения:

t S (t )dt = S, & (22) где t – время до разрушения, S (t ) – скорость изменения энтропии, S – & критическое значение энтропии, соответс твующее началу разрушения образца породы (элемента массива), и тем, что, (22) может быть переписано в следующем виде:

dS t t dt dt = dS = S. (23) 0 Тогда выражение (21) приобретает при рассмотрении разрушения в объеме V следующий вид:

(1 2 ) dV.

S = dS = e 1 + 4 e (24) T V E V Выражение (24) с учетом основных соотношений теории ползучести, можно переписать таким образом:

(1 2 (t )) dV, S = dS = e 1 + 4 e (25) T V E (t ) V где величины (t ) и E (t ) могут быть получены экспериментально для каждой горной породы по специальной методике.

Выражение (25), является интегральным критерием разрушения учас тка массива, который содержит очис тную выработку. Аналитическое выражение энтропийно-интегрального критерия разрушения горных пород полученного в результате объединения метода конечных элементов и интегрального термодинамического критерия имеет следующий вид:

(1 2 ) d ( N d 3), S = dS = e 1 + 4 e (26) T V E V где S – критическое значение энтропии, соответствующее разрушению горной породы;

V – объем горной породы, для которого определяется величина энтропии;

e – эквивалентное напряжение ( е = Rc k c );

d – размер структурных элементов породного массива, в которых происходят элементарные акты разрушения (в предположении о том, что все элементарные элементы породного массива имеют кубическую форму, причем между ними нет каких-либо пустот, включений и тому подобное, то есть они прилегают друг к другу практически идеально) в наших исследованиях под размером d принимались размеры стандартного образца горной породы для испытаний на прессе на сжатие d = 0,05 м;

N – число разрушенных элементов участка породного массива.

После интегрирования оно принимает следующий вид:

S = A N d 3. (27) Соответс твенно, для произвольного момента времени, (27) выглядит таким образом:

Si = A N i d 3, (28) где S i – текущее значение энтропии, соответствующее некоторому текущему количеству Ni разрушенных элементов в породном массиве.

Из этого выражения следует, что величина энтропии участка породного массива, который содержит очистную выработку, находится в линейной зависимости от количества разрушенных элементов.

На рис. 9 представлены результаты, полученные на основе шахтных наблюдений и моделирования с помощью метода конечных элементов для первичного и установившегося обрушений кровли. Начало резкого роста значений количества разрушенных элементов, соответствует началу обрушения кровли.

Обращает на себя внимание то, что установившееся обрушение происходит при меньшей длине выработанного пространс тва по сравнению с первичным.

Количество разрушенных элементов N, шт 2000 5 15 25 50 75 90 100 110 115 Длина выработанного пространства, м Рис. 9. Зависимость количества разрушенных элементов N (штук) от длины выработанного пространства для случаев первичного (1 – 3) и установившегося обрушений (4 – 5): 1, 4 – шх. «Белозерская»;

2, 5 – шх. «Комсомолец Донбасса»;

3, 6 – шх. им. Бажанова.

Как видно из представленных на рис. 9 зависимостей, они подобны друг другу и могут быть приближенно заменены двумя прямыми, первая из которых выходит из начала координат и имеет небольшой угол наклона к оси абсцисс, вторая – является продолжением первой. Она располагается под большим углом к оси абсцисс и начинается в точке, соответствующей обрушению пород кровли.

dS Предс тавляло интерес исследовать зависимость производной от длины dl выработанного прос транс тва l. Экстремум этой функции исходя из физических представлений, должен соответствовать обрушению кровли, как это показано на рис. 10.

dS Рис. 10. Зависимость от dl dS/dl длины выработанного пространс тва.

Предс тавленная на рис. зависимость характеризуется резким 5 15 25 50 75 90 100 100 110 115 dS Дли на выр або танно го про стран ства, м скачком величины в момент, dl соответс твующий обрушению кровли, что позволяет сделать вывод о возможности использования скорости роста энтропии пород кровли как информативного параметра, который характеризует вероятность ее обрушения. Предс тавляло интерес провести сравнительный анализ результатов исследований обрушений кровли очистных выработок с использованием интегрального критерия прочности (20) и полученного энтропийно-интегрального критерия разрушение. Был проанализирован большой объем геомеханической и горнотехнической информации по следующим группам шахт: ОАО «Павлоградуголь», ГП «Луганскуголь», ГП «Первомайскуголь», ГП «Снежноеантрацит», ГП «Шахтерскантрацит», ГП «Антрацит», ГП «Торезантрацит», ГП «Свердловантрацит», ГП «Ровенькиантрацит», а также шахт «Красноармейская-Западная №1» и «Краснолиманская».

На рис. 11 представлены в качестве примера сравнительные кривые, полученные с использованием данных натурных измерений шага установившегося обрушения кровли очистных выработок для условий шахт ГП «Ровенькиантрацит».

Аналогичные кривые были получены и для шахт ОАО «Павлоградуголь»;

Донецкой области и шахт Донецкой и Луганской областей.

Как видно из представленных зависимостей, они подобны друг другу.

Обращает на себя внимание то, что отличие этих кривых от расчетных кривых, полученных с использованием интегрального критерия прочнос ти (20) и разработанного энтропийно-интегрального критерия разрушения не превышает 15%. И тот и другой критерии хорошо коррелируют с величинами обрушений кровли, которые реально состоялись. Аналогичные результаты были получены и для случаев первичного обрушения.

Рис. 11. Зависимость расчетного шага установившегося обрушения (a);

данных натурных измерений шага установившегося обрушения (b);

и величины, обратной энтропии a 50 b пород кровли очис тной выработки от длины 1/0,01S выработанного пространства для условий шахт ГП «Ровенькиантрацит» Полученный результат позволяет 100 125 150 175 200 225 утверждать, что разработанный энтропийно-интегральний критерий разрушения может быть использован для прогноза возникновения первичного и установившегося обрушений пород кровли очистной выработки.

Анализ эффективнос ти существующих элементов систем контроля для угольных шахт, позволил сформулировать требования к комплексной системе контроля и управления надежностью функционирования очис тного забоя:

Целос тная система контроля и управления должна быть информационно вычислительным комплексом, который состоит из следующих элементов:

– источников информации, устанавливаемых по определенной схеме в рабочем пространс тве очистного забоя и вблизи него;

– шахтной микропроцессорной системы первичной обработки информации;

– средств передачи информации на центральный информационно диспетчерский пункт на поверхности шахты;

– пакета прикладных программ для анализа и обработки информации, которая обеспечивает оперативный выбор оптимальных технологических решений для конкретной геомеханической и газовой ситуации;

– шахтного информационно-управляющего комплекса на базе ЭВМ, который обеспечивает сбор информации от датчиков, выдачу управляющих сигналов на исполнительные органы машин и механизмов при возникновении аварийных ситуаций, а также световую и звуковую сигнализацию в этих случаях;

– собственно информационно-вычислительного комплекса с рабочим местом диспетчера на поверхности шахты.

Концепция современной технологии обеспечения надежного функционирования очистного забоя должна включать 4 уровня:

1. Датчики и исполнительные механизмы (уровень 0).

2. Устройства связи с объектами (уровень 1).

3. Устройства управления (уровень 2).

4. Автоматизированные рабочие места (уровень 3).

Функционирование очистного забоя необходимо рассматривать как согласованную работу последовательно соединенных подсистем. При этом отказ хотя бы одной из подсистем выводит из строя всю систему. Вероятность безотказной работы такой системы равна произведению вероятнос тей безотказной работы ее элементов (подсистем) n P (t ) = P1 P2... Pn = Pi, (29) i= где Pi – вероятнос ть надежной работы і-й подсистемы очистного забоя.

С точки зрения теории управления, функционирование очистного забоя должно анализироваться в соответствии с задачей о максимуме произведения.

Относительно темы исследования, она формулируется таким образом: сумма вероятностей безаварийной работы подсистем очистного забоя должна находится в некотором допустимом интервале, а произведение этих вероятностей должно стремиться к максимальному значению. Тогда должно выполняться следующее условие:

0 P k n i i=, (30) n Pi max i= n n Pi и Pi являются фазовыми n – число этих подсистем i = 1,..., n. Величины i=1 i= координатами, а совокупность величин P1 ;

P2 ;

... ;

Pn – управляющими параметрами.

Следует отметить, что величина вероятности Pi может изменяться в диапазоне от до 1, то есть, должно выполняться условие: 0 Pi 1. Таким образом, произведение n вероятностей Pi всегда меньше единицы и для приближения его значения к i= единице необходимо повышение вероятности безаварийной работы каждой из подсистем. Выполнение условия (30) может служить критерием оптимальнос ти работы очис тного забоя по критерию «надежность функционирования». Как численный критерий оценки вероятнос ти безаварийной работы может быть принят критерий оценки безопасной работы атомных электрос танций, для которых - вероятность аварии на сегодняшний день не может превышать 10. С учетом этого, выражение для вероятности аварии в очистном забое можно записать в виде:

n Pав = 1 - Pi 106. (31) i= С учетом времени математическая модель работы комплексной системы контроля и управления может быть выражена таким образом:

Pmax, 0 t t н. р.

P Pmax at, t н. р. t t р.о., (32) P (a b)t, t t t доп. р. о. л. о.

где a и b – соответственно скорости развития и ликвидации опасности, Pmax, Pmin и Pдоп – уровни вероятнос ти безаварийной работы соответственно: максимальный, минимальный и допус тимый;

tн.р. – время нормальной работы;

tр.о. – время развития опасности до уровня «работы прекратить, опасно»;

tл.о. – время ликвидации опасности (проведение профилактических мероприятий).

Степень адаптации очистного забоя может быть определена выражением:

rr () U dU 0, (33) где – совокупность траекторий изменений состояний подсистем очистного забоя, которые определяют надежность его функционирования.

Это условие можно рассматривать как качественную оценку адаптации очистного забоя к внешним и внутренним условиям, которые изменяются.

Обобщено условие надежности функционирования очис тного забоя по критерию адаптации, которое является математической моделью управления, имеет следующий вид:

r r () U dU. (34) d max dt Последующие исследования были направлены на создание имитационной модели комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя. Целесообразность создания имитационной модели комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя заключается в том, что:

– не существует законченной математической постановки для создания комплексной системы контроля и управления надежнос тью функционирования очистного забоя и не разработаны аналитические методы решения сформулированной математической модели;

– частично есть системы контроля надежнос ти функционирования отдельных подсистем угольной шахты и лавы, но они не являются целостной системой, которая осуществляет контрольно-регулирующие функции по лаве.

В самом общем случае, структуру имитационной модели математически можно представить в виде:

F = f (x i, yi ), (35) где F – результат функционирования очистного забоя;

x i – переменные и параметры, которыми мы можем управлять;

y i – переменные и параметры, которыми мы не можем управлять;

f – функциональная зависимость между x i и y i которая определяет величину F.

Программа для создания имитационной модели разработана на Delphi-7.

Контролируемые параметры и их набор могут изменяться вручную, или изменяться стохастически с помощью генератора случайных чисел. Разработанная имитационная компьютерная модель прошла успешную апробацию в условиях шахты им. Фрунзе ГП «Ровенькиантрацит».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основе впервые установленной взаимосвязи энтропии пород приконтурной области массива и ее состояния как основной подсистемы очистной выработки, разработанных энтропийных критериев разрушения и результатов моделирования очис тного забоя как сложной технической системы решена актуальная научная проблема обеспечения надежнос ти функционирования очистного забоя как управляемого геомеханического объекта.

В процессе выполнения настоящей работы получены следующие основные научные выводы и результаты:

1. Впервые дано научное обоснование нового подхода к решению комплексной проблемы обеспечения надежности и эффективнос ти функционирования очистного забоя как основной производственной единицы современной угольной шахты, исходя из потребнос тей государства в каменном угле.

В основу подхода положено представление об очистном забое как сложной технической системе типа «человек – машина – среда». Обоснован набор информативных параметров, контроль которых позволяет определять уровень надежнос ти функционирования очистного забоя в любой момент времени.

2. Установлена взаимосвязь между энтропией пород приконтурной облас ти массива, вмещающего очистной забой, и их устойчивостью. Результаты проведенных исследований были положены в основу научного открытия «Закономерность изменения устойчивости породных обнажений при периодических нагрузках», зарегистрированного в 2000 г. (диплом № 151).

3. Показано, что надежность функционирования очистного забоя определяется функцией от произведения вероятностей надежной работы по группам факторов:

«газовому», «устойчивости приконтурной области», «работы технологического оборудования» и «человеческому». Каждый из перечисленных факторов включает набор контролируемых параметров, часть из которых не изменяется в течение всего периода отработки очистного забоя, часть является квазипос тоянной в течение одной добычной смены, и оставшиеся изменяются непрерывно.

4. Впервые установлено, что приращение энтропии пород приконтурной области массива при их отбойке от массива находится в линейной зависимости от объема отбиваемых пород, коэффициента Пуассона, и действующих напряжений, изменения внутренней энергии и в обратно пропорциональной зависимости от модуля Юнга и температуры отбиваемых пород, является интегральным параметром, который характеризует НДС пород приконтурной облас ти массива, их физико-механические и термодинамические свойства.

5. Сформулированы локальный и интегральный критерии разрушения элемента горной породы и участка породного массива, содержащего очистной забой и энтропийно - интегральный критерий разрушения участка породного массива.

6. Впервые для анализа технико-экономического состояния очис тного забоя получено условие его надежного функционирования и математическая модель работы комплексной системы контроля и управления.

7. Впервые разработана с труктурная модель комплексной системы контроля и управления надежнос тью функционирования очистного забоя и математическая модель надежнос ти его функционирования, который как основная производственная единица угольной шахты, в отличие от аналогичных производственных систем в других отраслях промышленности, характеризуется значительной неопределенностью рабочих мест, что вызвано отсутствием достоверных данных о свойствах и состоянии горного массива и технологического оборудования (факторы устойчивости приконтурной области и работы технологического оборудования);

атмосферы рабочего пространства очистного забоя (газовый фактор);

поведения обслуживающего персонала (человеческий фактор).

8. Впервые разработана имитационная компьютерная модель комплексной системы контроля и управления надежнос тью функционирования очистного забоя (высоконагруженной лавы). В основу идеи моделирования положен учет влияния и взаимовлияния факторов надежности функционирования очистного забоя.

9. Разработана оптимизационная математическая модель надежности функционирования очистного забоя. В качестве критерия оптимизации выбран критерий «надежнос ть функционирования».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНИ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Мещанинов С.К. Научные основы обеспечения надежности функционирования очистных забоев шахт Украины: [монография] / Мещанинов С.К. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2005. – 230 с.

2. Мещанинов С.К. К вопросу устойчивости породных обнажений / А.Н.

Зорин, В. И. Бондаренко, С.К. Мещанинов [и др.] // Науковий вісник НГАУ. – 2000. – №1. – С. 100–101.

3. Мещанинов С.К. К вопросу о с татистико-термодинамической трактовке процесса разрушения горных пород / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика:

Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины. – 2000. – Вып. 23. – С. 125–129.

4. Мещанинов С.К. Определение техногенных зон угольного пласта шахты «Белозерская» / А. Н.Зорин, С.К. Мещанинов, В. П. Вдовиченко [и др.] // Геотехническая механика. – 2001. – №29. – С. 48–53.

5. Мещанинов С.К. Определение техногенных зон в шахтных полях методом удельной изменчивости уклонов / [С.В. Кужель, А. Н. Зорин, С.К. Мещанинов и др.] // Уголь Украины. – 2002. – №9. – С. 6–8.

6. Мещанинов С.К. Использование вероятностно–с татистического подхода к обоснованию структуры основных параметров системы локального геоконтроля безопасности высоконагруженных лав / Ю.И. Кияшко, С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. – 2002. – №36. – С. 166–173.

7. Мещанинов С.К. К вопросу о математической модели газовой ситуации в высоконагруженной лаве / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. – 2002. – №40. – С. 123–130.

8. Мещанинов С.К. Исследование механизма поведения кровли с использованием пространственно-временного показателя её устойчивости / С.К.

Мещанинов // Геотехническая механика. – 2003. – №41. – С. 120–127.

9. Мещанинов С.К. О взаимосвязи поврежденности горных пород и их физических параметров в задачах оценки ус тойчивости подземных пространств и породных обнажений / С.К. Мещанинов // Геотехническая механика. – 2003. – №42.

– С. 123–129.

10. Мещанинов С.К. К разработке с труктурной модели высоконагруженной лавы как объекта управления / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов, А. И. Коваль // Науковий вiсник НГУ. – 2004. – №7. – С. 16–19.

11. Мещанинов С.К. К разработке оптимизационной математической модели управления надежностью функционирования высоконагруженной лавы по критерию адаптации / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2004. – №10. – С. 15–18.

12. Мещанинов С.К. К разработке имитационной модели локальной системы управления надёжностью функционирования высоконагруженной лавы / С.К.

Мещанинов // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Сб. науч. тр. МакНИИ, 2005. – С. 218–221.

13. Мещанинов С.К. О необходимости создания локальной системы контроля надежнос ти функционирования высоконагруженной лавы / В. И. Бондаренко, С.К.

Мещанинов, А. И. Коваль // Горн. Информ.- аналит. бюл. – Моск. Горн. ун-т, 2005. – №9. – С. 87–95.

14. Мещанинов С.К. Имитационная модель локальной системы управления надежнос тью функционирования высоконагруженной лавы / В. И. Бондаренко, С.К.

Мещанинов, А.А. Свириденко // Науковий вісник НГУ. – 2005. – №1. – С. 33–36.

15. Мещанинов С.К. Исследование зависимости роста нарушенности образцов горных пород от температуры / В. И. Бондаренко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2005. – № 8. – С. 30–34.

16. Мещанинов С.К. О современной концепции безопасности эксплуатации высоконагруженных лав / В.И. Бондаренко, С.К. Мещанинов // Уголь Украины. – 2005. – №12. – С. 29–32.

17. Мещанинов С.К. Математическая модель надежности функционирования очистного забоя / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2006. – № 12. – С. 10– 13.

18. Мещанинов С.К. К научному обоснованию параметров систем контроля и управления надежностью ведения подземных горных работ / В. И. Бондаренко, С.К.

Мещанинов // Вісник Криворізького технічного університету. – 2007. – Вип. 18. – С.

32–36.

19. Мещанинов С.К. К оценке эффективности ведения очистных работ / С.К.

Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2007. – № 6. – С. 18–21.

20. Мещанинов С.К. Математическая модель готовнос ти очис тного забоя к функционированию / С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2007. – № 10. – С.

62–64.

21. Мещанинов С.К. Исследование закономерностей поведения приконтурной области массива при отработке очис тного забоя / А.Н. Шашенко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2008. – № 2. – С. 29–33.

22. Meschaninov S.K. The estimation of stability in-contour rock mass region, containing extractive working on the base of entropy-integral criterion / S.K. Meschaninov // Науковий вісник НГУ. – 2008. – № 6. – С. 55–57.

23. Мещанинов С.К. Энтропийный метод контроля, управления и прогнозирования надежности функционирования очистного забоя / А. Н. Шашенко, С.К. Мещанинов // Науковий вісник НГУ. – 2008. – №5. – С. 17–21.

24. Мещанінов С.К. Ентропійно-інтегральний критерій оцінки стійкості ділянки масиву, що містить очисну виробку / С.К. Мещанінов // Науковий вісник НГУ. – 2008. – № 7. – С. 42–44.

25. Мещанинов С.К. К разработке алгоритма расчета устойчивости приконтурной облас ти массива, вмещающего высоконагруженную лаву / С.К.

Мещанинов // Вісті Донецького гірничого інституту. – 2008. – №1. – С. 13–19.

26. Мещанінов С.К. Дослiдження процесу обвалення покрiвлi очисної виробки з використанням методу скінчених елементів і ентропійно-інтегрального критерію / О.М. Шашенко, Н. В. Хозяйкіна, С.К. Мещанінов // Науковий вісник НГУ. – 2008. – № 8. – С. 28–31.

27. Мещанинов С.К. Пат. 58804 А Україна, МПК 7G01N3/18 Спосіб контролю породних оголень /Ю.И. Кияшко, С.К. Мещанинов, В. П. Вдовиченко;

Заявник і патентовласник Інститут геотехничної механіки НАН України. – №2002108538;

заявл. 28.10.02.;

Опубл. 15.08.03.;

Бюл. №8.

28. Мещанинов С.К. Использование термодинамики необратимых процессов и вероятностно-статистического подхода для оценки степени поврежденнос ти образцов горных пород при одноосном сжатии / Б.Н. Дикарев, С.К. Мещанинов, В. В. Ганопольский // 5-й Польско-Украинский семинар по механике материалов и конструкций;

01 – 06.07.1997. – Днепропетровск: ПГАСА. – С. 63–66.

29. Мещанинов С.К., Зорин А. Н. Энтропийный метод оценки устойчивости породных обнажений / С.К. Мещанинов, А. Н. Зорин // Сб. науч. тр. 10-й междунар.

научной школы «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Алушта. – Симферополь:

Таврический национальный университет 18 – 24. 09. 2000 г. С. 89–90.

30. Meshaninov S.The entropy method of estimation underground spaces steadiness / Zorin A., Meshaninov S. // Proceedings of the international symposium on geotechnological issues of underground space use for environmentally protected world, Dnipropetrovsk: NMUU, 26 – 29 June 2001. – P. 113–114.

31. Мещанинов С.К. К научному обоснованию оснащения высоконагруженных лав системами контроля и прогноза поведения горного массива / Кияшко Ю.И., Мещанинов С.К. // Материалы 3-й Промышленной конференции и выставки с международным участием «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», Славское, 24 – 28.02. 2003 г. С. 176–179.

32. Мещанинов С.К. К вопросу создания методологических основ обеспечения надежнос ти функционирования высоконагруженной лавы / Бондаренко В. И., Мещанинов С.К., Корж П.П. [и др.] // Материалы Украинско-Польского Форума горняков, Ялта, 13 – 19.09. 2004. – С. 461–469.

33. Мещанинов С.К. О безопасности систем разработки на угольных шахтах Украины / Мещанинов С.К. // Материалы междунар. конф. «Форум гірників», 12 – 14.10. 2005. – Т.3. – С. 146–151.

34. Мещанинов С.К. Концептуальные основы надежной и эффективной подземной добычи угля в Украине / Мещанинов С.К. // Материалы междунар. конф.

«Школа підземної розробки” 17 – 22. 09. 07 Ялта – Днепропетровск. – С. 326–332.

35. Диплом № 151 от 29.11. 2000 г. (Международная ассоциация авторов научных открытий РАЕН) на открытие «Закономерность изменения устойчивости породных обнажений при периодических нагрузках» / Авторы: В. И. Бондаренко, А. Н. Зорин, Ю.Б. Грядущий [и др.] // Сб. кратких описаний. – М.;

2001. – С. 17–18.

Личный вклад соискателя в работах, написанных в соавторстве: [2] – лабораторные исследования;

[4] – разработка аналитических выражений и прикладной компьютерной программы для обработки экспериментальных данных, анализ полученных результатов;

[5] – разработка аналитических выражений и прикладной компьютерной программы для обработки экспериментальных данных, анализ полученных результатов;

[6] – разработка идеи, выполнение расчетов;

[10] – разработка идеи, постановка задачи исследований;

[13] – анализ исследований, анализ расчетов;

[14] – разработка идеи, анализ результатов моделирования;

[15] – разработка идеи, выполнение расчетов;

[16] – разработка идеи, анализ информации;

[18] – разработка идеи, анализ информации;

[21] – анализ результатов исследований, выполнение расчетов;

[23] – постановка задачи исследований, анализ полученных результатов;

[26] – постановка задачи исследований, анализ полученных результатов;

[27] – разработка идеи, анализ информации;

[28] – разработка идеи, анализ информации;

[29] – лабораторные исследования и теоретический анализ полученных результатов;

[30] – теоретический анализ результатов исследований;

[31] – анализ результатов исследований, выполнение расчетов;

[32] – разработка идеи, пос тановка задачи исследований;

[35] – в лабораторных условиях показал зависимость прочности образцов от накопления поврежденнос ти в них при циклических нагрузках, теоретически обосновал зависимость устойчивости сооружений от энтропии материала.

АНОТ АЦІЯ Мещанінов С.К. Наукові основи забезпечення надійнос ті функціонування очисного забою, як керуємого геомеханічного об'єкту. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.15.09 – «Геотехнічна і гірнича механіка». – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертація присвячена проблемі забезпечення надійності функціонування очисного вибою шляхом розробки комплексного підходу до оцінки надійності функціонування очисної виробки, як складної технічної системи, що складається з послідовно сполучених підсистем. Ідея роботи полягає в розгляді надійності функціонування очисного вибою на основі термодинамічного підходу.

На основі даних аналітичних, лабораторних і натурних досліджень встановлений взаємозв'язок стану підсистеми «Приконтурна область» і ентропії порід які її складають. Показано, що стан приконтурної облас ті масиву повніс тю визначає стан всієї решти підсистем очисного вибою. Отримана емпірична залежність діелектричних властивостей порід приконтурній області як параметрів пошкодженості від ентропії. На її основі можуть бути розроблені неруйнуючі методи контролю геомеханічного стану приконтурної облас ті масиву.

Розроблені локальний і інтегральний термодинамічні критерії руйнування елемента гірської породи і ділянки порідного масиву, що містить очисну виробку.

Поєднуючи отриманий інтегральний критерій руйнування і метод скінчених елементів, був отриманий ентропійно-інтегральний критерій руйнування.

Досліджено функціонування очисного вибою як складної технічної системи.

Розроблені структурна, математична і оптимізаційна математична модель управління надійністю функціонування очисного вибою по критерію адаптації, а також математична і імітаційна комп'ютерна моделі комплексної системи контролю і управління надійністю функціонування очисного вибою.

Ключові слова: ентропія, надійність, порушеннос ть, пошкодженість, стійкість, приконтурна область масиву, складна технічна система.

АННОТ АЦИЯ Мещанинов С.К. Научные основы обеспечения надежности функционирования очис тного забоя, как управляемого геомеханического объекта.

Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.09 – «Геотехническая и горная механика». – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2009.

Диссертация посвящена проблеме обеспечения надежности функционирования очистного забоя путем разработки комплексного подхода к оценке надежности функционирования очис тной выработки, как сложной технической системы, состоящей из последовательно соединенных подсистем. Идея работы состоит в рассмотрении надежности функционирования очис тного забоя на основе термодинамического подхода.

На основе данных аналитических, лабораторных и натурных исследований установлена взаимосвязь состояния подсистемы «Приконтурная область» и энтропии пород её слагающих. Показано, что состояние приконтурной облас ти массива полностью определяет состояние всех остальных подсистем очистного забоя. Получена эмпирическая зависимость диэлектрических свойств пород приконтурной облас ти как параметров поврежденнос ти от энтропии. На ее основе могут быть разработаны неразрушающие методы контроля геомеханического состояния приконтурной области массива.

Разработаны локальный и интегральный термодинамические критерии разрушения элемента горной породы и участка породного массива, содержащего очистную выработку. Сочетая полученный интегральный критерий разрушения и метод конечных элементов, был получен энтропийно-интегральный критерий разрушения.

Исследовано функционирование очистного забоя как сложной технической системы. Разработаны структурная, математическая и оптимизационная математическая модель управления надежностью функционирования очистного забоя по критерию адаптации, а также математическая и имитационная компьютерная модели комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования очистного забоя.

Ключевые слова: энтропия, надежность, нарушеннос ть, поврежденность, устойчивость, приконтурная область массива, сложная техническая система.

THE SUMMARY Meschaninov S.K. Scientific basis of providing the reliability of functioning the extractive working as the guided geomechanical object. Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of doctor of engineering science on specialty 05.15.09 – «Geomechanical and rock’s mechanics». – National Mining University, Dniproprtrovsk, 2009.

The dissertation is devoted to the problem of providing the reliability of functioning the extractive working by elaboration of complex approach to estimation of reliability the extractive working functioning as the complex technical system consisting of the consistently united subsystems. The idea of work consists of consideration the reliability of extractive working functioning on the basis of thermodynamics approach.

On the base of analytical, laboratory and nature researches are set the intercommunication between the state of subsystem «In-contour region» and entropy of rocks its composing. It is shown, that the state of in-contour region of rock massive fully determines by the state of all other extractive working subsystems. Empiric dependence of dielectric properties of in-contour region rock massive is got as parameters of damaging from entropy. On its basis the non-destructive methods of control of the geomechanical state of in-contour region of massive can be developed.

The local and integral destruction thermodynamical criterions of rock’s element and area of rock massive containing the extractive working are developed. Combining the got integral criterion of destruction and method of finite elements method, the entropy integral criterion of destruction was got.

Functioning of extractive working is explored as complex technical system. Are developed structural, mathematical and optimization mathematical control models by reliability of extractive working functioning on the criterion of adaptation, and also mathematical and imitation computer models of the complex checking system and management by reliability of extractive working functioning.

Keywords: entropy, reliability, degree of disturbance, damaging, stability, in contour region of massive, complex technical system.