Численное и физическое моделирование механизмов потери устойчивости кровли при подземной выемке полезных ископаемых

Карасев М.А., Вербило П.Э., Шишкина В.С.

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург

Ключевые слова: численное моделирование, геомеханика, обрушение кровли, трещиноватость, деформации, устойчивость массива, геомеханические процессы, напряжённо-деформированное состояние, физическое моделирование, Abaqus Explicit.

Аннотация. Рассмотрены вопросы оценки устойчивости кровли при подземной выемке полезных ископаемых с использованием методов физического и численного моделирования. В качестве исходных данных использованы опубликованные результаты крупномасштабного лабораторного эксперимента, в котором была воспроизведена стратифицированная структура массива и поэтапная отработка. На основе этих данных выполнено численное моделирование в среде Abaqus Explicit с сохранением геометрии, стратиграфии и механических параметров, аналогичных физической модели. Также проведено сравнение с результатами моделирования, выполненного в UDEC, что позволило оценить достоверность подходов. Анализ показал, что разрушение кровли происходит вследствие формирования раскрытых трещин и потери устойчивости массива, формируя характерную трапецеидальную зону обрушения. Установлена корреляция между развитием поперечных трещин, ростом горизонтальных напряжений и приближением к обрушению. Полученные результаты могут быть использованы для оценки рисков, разработки прогностических критериев и совершенствования методов контроля устойчивости в подземных условиях.

Numerical and physical modeling of roof instability mechanisms during underground resource extraction

Karasev M.A., Verbilo P.E., Shishkina V.S.

Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint-Petersburg

Keywords: numerical modeling, geomechanics, roof collapse, fracturing, deformation, rock mass stability, geomechanical processes, stress-strain state, physical modeling, Abaqus Explicit.

Abstract. The study addresses the assessment of roof stability during underground mineral extraction using physical and numerical modeling methods. As input data, previously published results of a large-scale laboratory experiment were used, in which a stratified rock mass and staged excavation process were reproduced. Based on these data, numerical modeling was performed in Abaqus Explicit, preserving the geometry, stratigraphy, and mechanical properties consistent with the physical model. A comparison was also made with simulation results obtained using UDEC, which allowed for an evaluation of the reliability of the approaches. The analysis showed that roof collapse occurs due to the formation of open fractures and loss of mass stability, resulting in a characteristic trapezoidal failure zone. A correlation was identified between the development of transverse cracks, an increase in horizontal stresses, and the approach of collapse. The findings can be applied for risk assessment, development of predictive criteria, and improvement of stability control methods under underground mining conditions.