vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2024-69-4-340-352vestift-869Research ArticleДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМDIAGNOSTICS AND SAFETY OF TECHNICAL AND ENVIRONMENT SYSTEMSКомплексная оценка устойчивости подземных горных выработок при различных горнотехнических условияхComplex estimation of the underground excavations stability in various mining and geological conditionshttps://orcid.org/0000-0001-5958-7799ЛопатинС. Н.LapatsinS. N.

Лопатин Сергей Николаевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики; научный сотрудник, факультет мехатроники

пр. Независимости 4, 220030, Минск

ул. Сидаджи, 150001, Харбин, Китайская Народная Республика

Siarhei N. Lapatsin – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics; Postdoctoral Researcher of School of Mechatronics Engineering 

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk

Xidazhi Str., 150001, Harbin, China

lopatinsn@tut.byhttps://orcid.org/0000-0002-7420-5821ЖуравковМ. А.ZhuravkovM. A.

Журавков Михаил Анатольевич – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики

пр. Независимости 4, 220030, Минск

Michael A. Zhuravkov – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Department of Theoretical and Applied Mechanics 

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk

zhuravkov@bsu.byПередрийП. С.PiaredryiP. S.

Передрий Павел Сергеевич – стажер младшего научного сотрудника научно-исследовательской лаборатории прикладной механики 

пр. Независимости 4, 220030, Минск

Pavel S. Piaredryi – Junior Researcher trainee of the Applied Mechanics Laboratory 

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk

pavelpiaredriy@gmail.comБелорусский государственный университет; Харбинский политехнический университетBelarusian State University; Harbin University of TechnologyБелорусский государственный университетBelarusian State University202409012025694340352Copyright © Лопатин С.Н., Журавков М.А., Передрий П.С., 20252025Лопатин С.Н., Журавков М.А., Передрий П.С.Lapatsin S.N., Zhuravkov M.A., Piaredryi P.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/869

Продемонстрирована методика комплексной оценки устойчивости подземных горных выработок в массивах соляных пород. Рассмотрены различные варианты залегания пластов полезного ископаемого, а также наиболее популярные меры охраны подземных выработок, такие как анкеры, компенсационные щели и железобетонные крепи. Предлагаемая методика основана на использовании гибридного численно-аналитического метода для расчета напряженно-деформированного состояния горнотехнических систем, а также применении оригинального комплексного критерия оценки предельного состояния массивов горных пород. В результате обобщения выполненных исследований выделены основные факторы, влияющие на устойчивость подземных выработок: глубина расположения выработки, физико-механические свойства массива горных пород и его горно-геологическое строение, а также применяемые меры охраны. Установлена степень влияния каждого из этих факторов на устойчивость рассматриваемых выработок. На примере решения ряда модельных задач показано, что предлагаемая методика может использоваться для полной и достоверной оценки состояния массивов горных пород в окрестности подземных выработок, а также прогнозирования устойчивости подземных горнотехнических сооружений при различных условиях. 

The paper demonstrates a methodology of a complex stability estimation for underground mining excavations located in salt rock masses. Various geological structures of the rock mass, as well as the most popular safety measures for underground excavations support such as ankers, expansion gaps and reinforced concrete are considered. The proposed methodology is based on a hybrid numerical-analytical method for the determination of the stress-strain state of geotechnical systems as well as on an original complex limit state criterion for rock masses. As the result of the study the main factors influencing the stability of excavations where highlighted and generalized. These factors are: mining depth, mechanical properties of rock mass, its geological structure and safety measures. The degree of the importance of each mentioned factor is established. A number of model problems are solved to prove the efficiency of the proposed method for complete and reliable estimation of rock mass state in the vicinity of underground excavations, as well as predicting the stability of geotechnical structures under various conditions. 

горные выработкимассив горных породнапряженно-деформированное состояниепредельное состояниеметод конечных элементовmining excavationsrock massstress-strain statelimit statefinite element methodReferencesStability Assessment for Underground Excavations and Key Construction Techniques / Hanhua Zhu [et al.]. – Springer, 2017. – 174 p. http://doi.org/10.1007/978-981-10-3011-6Hanhua Zhu, Mengchong Chen, Yu Zhao, Fusheng Niu. Stability Assessment for Underground Excavations and Key Construction Techniques. Springer, 2017. 174 p. http://doi.org/10.1007/978-981-10-3011-6Stability of Geotechnical Structures: Theoretical and Numerical Analysis / Y. M. Cheng [et al.]. – Bentham Science Publ., 2017. – 411 p. http://doi.org/10.2174/97816810830321160101Cheng Y. M., Wong H., Leo C. J., Lau C. K. Stability of Geotechnical Structures: Theoretical and Numerical Analysis. Bentham Science Publ., 2017. 411 p. http://doi.org/10.2174/97816810830321160101Sloan, S. W. Geotechnical stability analysis / S. W. Sloan // Geotechnique. – 2013. – Vol. 63, Iss. 7. – P. 531–571. http://doi.org/10.1680/geot.12.RL.001Sloan S. W. Geotechnical stability analysis. Geotechnique, 2013, vol. 63, iss. 7, pp. 531–571. http://doi.org/10.1680/geot.12.RL.001Gudehus, G. On the stability of geotechnical systems and its fractal progressive loss / G. Gudehus, A. Touplikiotis // Acta Geotech. – 2018. – Vol. 13, Iss. 2. – P. 317–328. https://doi.org/10.1007/s11440-017-0549-xGudehus G., Touplikiotis A. On the stability of geotechnical systems and its fractal progressive loss. Acta Geotechnica, 2018, vol. 13, iss. 2, pp. 317–328. https://doi.org/10.1007/s11440-017-0549-xPredicting the excavation damaged zone within brittle surrounding rock masses of deep underground caverns using a comprehensive approach integrating in situ measurements and numerical analysis / D. P. Xu [et al.] // Geoscience Frontiers. – 2022. – Vol. 13, Iss. 2. – Art. ID 101273. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2021.101273Xu D. P., Huang X., Li S. J., Xu H.S., Qiu S. L., Zheng H., Jiang Q. Predicting the excavation damaged zone within brittle surrounding rock masses of deep underground caverns using a comprehensive approach integrating in situ measurements and numerical analysis. Geoscience Frontiers, 2022, vol. 13, iss. 2, art. ID 101273. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2021.101273A numerical study on mechanical behavior of jointed rock masses after tunnel excavation / W. Zhang [et al.] // Arab. J. Geosci. – 2020. – Vol. 13. – Art. ID 416. https://doi.org/10.1007/s12517-020-05358-yZhang W., Xu B., Mei J., Yue G., Shi W. A numerical study on mechanical behavior of jointed rock masses after tunnel excavation. Arabian Journal of Geosciences, 2020, vol. 13, art. ID 416. https://doi.org/10.1007/s12517-020-05358-yAzarfar, B. Stability analysis of rock structure in large slopes and open-pit mine: numerical and experimental fault modeling / B. Azarfar, S. Ahmadvand, J. Sattarvand // Rock Mech. Rock Eng. – 2019. – Vol. 52, № 12. – P. 4889–4905. https://doi.org/10.1007/s00603-019-01915-4Azarfar B., Ahmadvand S., Sattarvand J. Stability analysis of rock structure in large slopes and open-pit mine: numerical and experimental fault modeling. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019, vol. 52, no. 12, pp. 4889–4905. https://doi.org/10.1007/s00603-019-01915-4Time-dependent crack development processes around underground excavations / Penghai Deng [et al.] // Tunneling and Underground Space Technology. – 2020. – Vol. 103. – Art. ID 103518. https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103518Penghai Deng, Quansheng Liu, Hao Ma, Fan He, Qi Liu. Time-dependent crack development processes around underground excavations. Tunneling and Underground Space Technology, 2020, vol. 103, art. ID 103518. https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103518Qiang Feng. Analytical solution for stress and deformation of the mining floor based on integral transform / Feng Qiang, Jiang Binsong // Int. J. Sci. Technol. – 2015. – Vol. 25, Iss. 4. – P. 581–586. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2015.05.010Feng Qiang, Jiang Binsong. Analytical solution for stress and deformation of the mining floor based on integral transform. International Journal of Science and Technology, 2015, vol. 25, iss. 4, pp. 581–586. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2015.05.010Liu, K. Analytical and numerical analyses of tunnel excavation problem using an extended Drucker–Prager model / K. Liu, S. L. Chen, X. Q. Gu // Rock Mech. Rock Eng. – 2020. – Vol. 53, Iss. 2. – P. 1777–1790. https://doi.org/10.1007/s00603019-01992-5Liu K., Chen S. L., Gu X. Q. Analytical and numerical analyses of tunnel excavation problem using an extended Drucker–Prager model. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2020, vol. 53, no. 2, pp. 1777–1790. https://doi.org/10.1007/s00603-019-01992-5Упругопластическое деформирование и предельное состояние элементов конструкций с концентраторами напряжений / М. Д. Новопашин [и др.]; под ред. В. Р. Кузьмина. – Новосибирск: Наука, 1995. – 112 с.Novopashin M. D. Elastoplastic Deformation and Limit State of Structural Elements with Stress Concentrations. Novosibirsk, Nauka Publ., 1995. 112 p. (in Russian).Фисенко, Г. Л. Предельное состояние горных пород вокруг выработок / Г. Л. Фисенко. – М.: Недра, 1976. – 272 с.Fisenko G. L. Limit State of Rock Masses in the Vicinity of Workings. Moscow, Nedra Publ., 1976. 272 p. (in Russian).Debasis, Deb. Fundamentals and Applications of Rock Mechanics / Deb. Debasis, V. A. Kumar. – New Delhi: PHI Learning, 2016. – 492 p.Debasis Deb., Kumar V. A. Fundamentals and Applications of Rock Mechanics. New Delhi, PHI Learning, 2016. 492 p.Лопатин, С. Н. Предельное состояние массивов горных пород с подземными сооружениями: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.02.04 / С. Н. Лопатин. – Минск, 2023. – 181 л.Lapatsin S. N. Limit State of Rock Massifs with Underground Structures [dissertation]. Minsk, 2023. 181 p. (in Russian).Zhuravkov, M. A. Complex limit state criterion for rock masses / M. A. Zhuravkov, S. N. Lapatsin, S. Ji // Acta Mech. Sinica. – 2023. – Vol. 39, Iss. 1. – Art. ID 722194. https://doi.org/10.1007/s10409-022-22194-xZhuravkov M. A., Lapatsin S. N., Ji S. Complex limit state criterion for rock masses. Acta Mechanica Sinica, 2023, vol. 39, iss. 1, art. ID 722194. https://doi.org/10.1007/s10409-022-22194-xSubstantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines / V. I. Bondarenko [et al.] // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2022. – Vol. 1049. – Art. ID 012026. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1049/1/012026Bondarenko V. I. Substantiating arched support made of composite materials (carbon fiber-reinforced plastic) for mine workings in coal mines. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2022, vol. 1049, art. ID 012026. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1049/1/012026Миренков, В. Е. Формулировка граничных условий в задачах геомеханики / В. Е. Миренков // Изв. высш. учеб. заведений. Горн. журнал. – 2016. – № 2. – С. 67–73.Mirenkov V. E. Formulation of boundary conditions in geomechanics problems. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = Minerals and Mining Engineering, 2016, no. 2, pp. 67–73 (in Russian).Ставрогин, А. Н. Пластичность горных пород / А. Н. Ставрогин, А. Г. Протосеня. – М.: Недра, 1979. – 301 с.Stavrogin А. N., Protosenya А. G. Plasticity of Rocks. Moscow, Nedra Publ., 1979. 301 p. (in Russian).Sharma, V. M. Distinct Element Modelling in Geomechanics / V. M. Sharma, K. R. Saxena, R. D. Woods. – CRC Press, 2007. – 234 p.Sharma V. M., Saxena K. R., Woods R. D. Distinct Element Modelling in Geomechanics. CRC Press. 2007. 234 p.The Stability and Failure of Deep Underground Structures at Potash Mining Deposits / Y. Zhang [et al.] // Appl. Sci. – 2024. – Vol. 14. – Art. ID 9434. https://doi.org/10.3390/app14209434Zhang Y., Lapatsin S., Zhurvakov M., Yu G., Karpovich I. The Stability and Failure of Deep Underground Structures at Potash Mining Deposits. Applied Sciences, 2024, vol. 14, art. ID 9434. https://doi.org/10.3390/app14209434

The authors declare that there are no conflicts of interest present.