Розвиток наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об’ємному нерівно-компонентному стисненні

Стійкість покрівлі в вибійному просторі очисних вибоїв є визначальним чинником при виборі способу управління гірничим тиском, типу устаткування, характеристики, схеми розташування і пересувки кріплення.

Існуючі класифікації покрівель не враховують багатьох факторів впливу. Найбільш істотним з них, на наш погляд, є дефектність гірських порід.

У даній роботі запропонований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі біля гірничої виробки з позиції механіки руйнування.

З використанням залежності О.О. Борисова було отримано критерії співвідношення для величини несучої здатності покрівлі - величини її граничного прольоту, що враховує тріщиностійкість гірських порід.

У результаті запропонований і обґрунтований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок, який відрізняється тим, що вперше враховується найважливіша характеристика гірських порід - їхня тріщиностійкість (ефективна поверхнева енергія).

Даний результат, із залученням аналізу впливу потужності і стану покрівлі на її стійкість, може бути використаний для створення класифікації покрівель.

Утворена у вугільному чи породному масиві виробка (свердловина) являє собою витягнуту циліндричну порожнину, розташовану в об'ємно стиснутому крихкому середовищі. В умовах об'ємного стиснення відбуваються зміни механічних характеристик, що визначають поводження цього середовища при утворенні порожнини. Головне питання полягає в тому, як відбувається зрушення крихкого масиву навколо порожнини під дією всебічного тиску і який вплив цього процесу на його деформаційні міцні характеристики.

Через відсутність у літературі чіткої єдиної картини нами проведені експериментальні дослідження на зразках. Дослідження виконані на тривісному пресі з використанням зразків вугілля і порід (аргілітів).

Ставилася задача - встановити характер зсуву і руйнування матеріалу навколо циліндричної порожнини при різних співвідношеннях діаметра порожнини і потужності пласта, а також характер зміни його механічних характеристик. В експериментах відношення розмірів зразка m, що моделює потужність пласта, до діаметра отвору d, що моделює виробку (свердловину), змінювалося від 5 до 14.

За програмою навантаження (стиснення) на тривісному пресі відтворювалися напруження, що випробовували досліджуваний елементарний об'єм гірничого масиву на заданій глибині.

У результаті експериментальних досліджень встановлене наступне. Найбільш чуттєвим до процесів, що відбуваються у крихкому середовищі поблизу порожнини, виявився модуль об'ємного стиснення К.

Руйнування порід біля виробок (свердловин) круглого перетину відбувається в три стадії: руйнування тонкого шару по контурі порожнини; утворення горизонтального еліпса і зміщення ув'язненого в ньому матеріалу в порожнину; утворення вертикального еліпса і заповнення порожнини зруйнованим матеріалом.

При величині відносини потужності пласта до діаметра свердловин, забезпечується стійкість стінок свердловин. Це відноситься до буріння свердловин у непорушених вугільних пластах і породних шарах.

Ділянки:

- Оа - ущільнення;

- ab - руйнування контуру;

- bс - руйнування горизонтального еліпса;

- cd - руйнування вертикального еліпса;

- de - вторинне ущільнення.

Якщо величина відносини:

То вугілля і слабкі породи (типу аргілітів) можуть інтенсивно руйнуватися поблизу порожнини круглого перетину.

Найбільша стійкість стінок порожнини досягається при горизонтальному розташуванні пластів.

Отримані результати можуть бути використані для вибору й оптимізації геометричної форми і параметрів нового кріплення.

У результаті досліджень визначений вплив глибини залягання, температурних змін в гірничому масиві та інших факторів на закономірності деформування та руйнування гірських порід при об'ємному нерівно-компонентному стисненні.

У сьомому розділі “Практичне застосування результатів досліджень і їхня реалізація” представлені результати додатка отриманих рекомендацій і висновків до рішення практичних задач і їхня реалізація.

Оскільки одним з основних напрямків діяльності ІФГП НАНУ є розробка способів прогнозу і управління станом гірничого масиву, практична реалізація основних результатів дисертаційної роботи зв'язана з зазначеним напрямком.

В ІФГП НАНУ розроблений і створений спосіб прогнозу викидонебезпечності гірських порід за їх ефективною поверхневою енергією, що є одним з нормативних. Зазначений спосіб не позбавлений деяких недоліків, що зв'язані зі складністю обчислення критичних перепадів ЕПЕ.

У результаті експериментальних досліджень було встановлено, що у викидонебезпечних зонах породного масиву екстремуми модуля пружності (чи швидкості пружних хвиль) і ЕПЕ збігаються (синфазна зміна параметрів), а в не викидонебезпечних зонах зазначені параметри змінюються в проти фазі. З урахуванням результатів, представлених у другому розділі, де було встановлено ряд структурних переходів в основному породоутворюючому мінералі піщаників - кварці, наявність високотемпературних модифікацій кварцу (тридиміту) при синфазній зміні ЕПЕ і модуля пружності, дозволяє уточнити спосіб прогнозу викидонебезпечності піщаників за ЕПЕ і може виступати як самостійна ознака викидонебезпечності.

Застосування удосконаленого способу прогнозу викидонебезпечності порід за ефективною поверхневою енергією на шахті ім. О.Г. Стаханова ОП “Красноармійськвугілля” показало, що даний спосіб забезпечує надійний прогноз, і дозволяє за рахунок виключення помилок другого роду одержати економічний ефект, який обумовлений зниженням обсягу застосування підривання в не викидонебезпечних зонах, у сумі 42, 340 тис. грн.

Управління станом гірничого масиву ґрунтується на обробці його водяними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР) у режимі фільтрації, що забезпечує сорбційне зменшення тріщиностійкості гірських порід і вугілля під впливом ПАР (ефект Ребіндера).

На шахті “Торецька” ОП “Дзержинськвугілля” в умовах пласта l₃ - “Мазурка” у лаві 11-го блоку горизонту 810 м., проведені експериментальні дослідження проявів гірничого тиску при охороні штреку вугільними ціликами і попередньою обробкою вугільного масиву водяними розчинами ПАР.

Проведені дослідження дозволили встановити наступне. До обробки вугільного масиву розчинами ПАР його напружений стан характеризувався значною неоднорідністю. Обробка вугілля розчином ПАР призводить до різкої зміни напружень у вугільному масиві - його енергетичний стан стає досить однорідним.

Виміри параметрів проявів гірничого тиску по контурних реперах дозволили встановити, що швидкості зближення покрівлі і підошви в штреку з обробкою ПАР в 2-2,3 рази нижчі, ніж на необробленій ділянці.

У результаті рішення задачі про напружено-деформований стан пластичного шару визначені параметри вугільних ціликів, оптимальних для підтримки вугільного масиву в безаварійному стані при попередньому переводі вугільного масиву в квазіі стані, шляхом обробки розчином ПАР. Отримані результати знайшли своє підтвердження при проведенні експериментальних досліджень.

З використанням результатів дисертаційної роботи обґрунтована і реалізована ефективна обробка крайової частини пласта водяними розчинами ПАР при відробці вугільних пластів в умовах впливу зон підвищеного гірничого тиску для шахт об'єднання “Шахтарськвугілля”, що відробляють положисті і похилі пласти “Алмазної”, “Кам'яної” і “Смоляниновської” свит.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці 4 нормативно-методичних документів, що успішно впроваджені на шахтах Донбасу.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій отримані нові науково обґрунтовані результати в області фізичних процесів гірничого виробництва шляхом одержання теоретичних і експериментальних залежностей між параметрами навантаження та фізико-механічними властивостями гірських порід, які у сукупності представляють собою розвиток наукових основ деформування і руйнування гірських порід при об'ємному навантаженні, що дозволило вирішити науково-прикладну проблему встановлення закономірностей деформування і руйнування гірських порід в умовах об'ємного стиснення, які враховують нерівно-компонентні поля стискаючих напружень і дефектність структури, що має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові і практичні результати роботи і висновки, що випливають з них, полягають у наступному:

1. Численні експериментальні дані з руйнування порід в умовах нерівно-компонентного тривісного стиснення свідчать про невідповідність напруженого стану деформаційному, тобто про недотримання третього закону пластичності. Ця невідповідність, зокрема, може привести до невірної інтерпретації даних щодо виміру напружень у масиві методом розвантаження і реконструкції полів напружень. Закономірності зміни міцності й енергоємності руйнування порід при різних схемах і видах навантаження свідчать про те, що узагальнений відрив у нерівно-компонентному полі напружень енергетично невигідний. Руйнування відбувається шляхом комбінації подовжнього і поперечного зсувів з відривом. Найменш енергоємним є узагальнений зсув.

2. Дослідженнями деформування порід за межею пружності встановлено, що параметри заграничного стану (залишкова міцність і модуль спаду) піддані значним коливанням. Залежно від ₂ і виду напруженого стану той самий матеріал може поводитися і як зміцнюючи, а руйнування може бути як стійким, так і хитливим. Максимум міцності і модуля спаду спостерігається для вугілля при узагальненому зсуві ( ). Для піщаника максимум рухливий і з ростом гідростатичного тиску зміщується з області узагальненого відриву в область узагальненого стиснення. Урахування заграничного стану дозволило запропонувати ряд коефіцієнтів крихкості руйнування гірських порід, що мають фізичний зміст і представляють собою відношення енергії руйнування до загальної енергії деформування.

3. Аналіз неоднорідності властивостей гірського масиву дозволив запропонувати як параметр неоднорідності ефективну поверхневу енергію порід. Показано істотний вплив структурних факторів і флюїдів на ЕПЕ, відзначається ріст ступеня дроблення при газонасичені. Водного і газового насичення істотно зменшують тріщиностійкість гірських порід, причому вплив вологості більш значний. Водне насичення зменшує пружні властивості гірських порід і вугілля, збільшує їхні деформації і призводить до пластифікації, локалізує руйнування, яке реалізується шляхом зсуву, і змінює його до більш в'язкого. Газове насичення порід і вугілля збільшує їхні пружні характеристики матеріалу, інтенсифікує розвиток тріщин по всьому об'ємі, а руйнування носить динамічний характер. В умовах об'ємного нерівно-компонентного стиснення сорбційні властивості вугілля змінюються залежно від виду напруженого стану. Найбільша зміна в структурі вугілля (зміна кількості адсорбційних центрів) відбувається в процесі його деформування при виді напруженого стану, що відповідає узагальненому зсуву. фізичний масив температурний

4. Магнезіальна і карбамідна скріплюючі суміші можуть бути використані для зміцнення гірських порід в умовах зниженої температури і підвищеної вологості порід. Найбільш ефективним буде зміцнення порід магнезіальною сумішшю для умов зниженої температури, а карбамідною сумішшю для порід з підвищеним вмістом вологи.

5. У результаті фізичного моделювання на УНТС встановлено, що зі збільшенням глибини залягання вугілля зростають його пружні властивості і гранична міцність та виявляється тенденція до більш в'язкого руйнування вугілля. Теоретично оцінений вплив температурних змін (до 800⁰ С) в гірничому масиві на граничний стан гірських порід біля виробок в залежності від їхньої тріщиностійкості (ЕПЕ). Встановлено, що при ЕПЕ 40 Дж/м² вплив незначний. Запропонований і обґрунтований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок, у якому вперше враховується тріщиностійкість гірських порід. Стійкою покрівлею гірничої виробки буде та, породи якої мають тріщиностійкість більшу 50 Дж/м². Зазначений підхід може бути використаний для створення нової класифікації покрівель, що буде більш повно враховувати реальні властивості гірських порід. На УНТС здійснене фізичне моделювання руйнування вугілля і слабких аргілітів на зразках з порожнинами стосовно до гірничих виробок і свердловин. Отримані дані про умови стійкості свердловин і гірничих виробок можуть бути використані для вибору й оптимізації геометричної форми і параметрів нового кріплення.

6. За рахунок врахування в піщанику синфазності зміни ЕПЕ і модуля пружності удосконалений спосіб прогнозу викидів піщаників за ЕПЕ.

Результати дисертаційної роботи впроваджені шляхом включення їх складовою частиною до 4 нормативно-методичних документів.

Размещено на Allbest.ru