close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101129

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
САПЕЛКИНА Валентина Михайловна
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗОНАЛЬНОГО Р А З Р У Ш Е Н И Я
Г О Р Н Ы Х ПОРОД В О К Р У Г ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ГЛУБИН
Специальность - 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная
аэрогазодинамика
теплофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Владивосток - 2005
и
горная
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего
профессионального
технический
образования
университет
(ДВПИ
«Дальневосточный
государственный
имени В.В.Куйбышева)»
(ГОУВПО
«ДВГТУ»).
Научный руководитель:
доктор технических наук,
профессор В.В.Макаров
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор Ю.Н.Нисковский
кандидат технических наук,
И.Ю.Рассказов
Ведущая организация:
Проектный институт ОАО "ДальвостНИИпроектуголь"
Защита состоится « 6 »
декабря
2005 г. в 14 час, на заседании
диссертационного совета Д 212.055.04 при ГОУВПО «ДВГТУ» по адресу:
690950, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 33а, ауд. Г-135. Факс 8(4232) 266988. E-mail: Leo_ss@mail.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Г О У В П О «ДВГТУ».
Автореферат разослан « ^
» Н^'^УШ?^^
2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук
В.Н. Макишин
J ^
мШ^ъ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
А к т у а л ь н о с т ь работы. В условиях больших глубин разрушение горных
пород вокруг подземных выработок часто носит зональный характер. В
исследованиях последних лет установлен механизм явления и разработана
математическая модель массива, соответствующая представлениям механики
дефектных сред о сильном сжатии геоматериалов.
В этом случае массив моделируется сплошной средой, в каждой точке
которой
нарушено
условие
совместности
деформаций, что
вынуждает
вводить в рассмотрение калибровочные поля пластических деформаций,
соответствующих нарушениям сплошности среды. Напряжения в такой среде
носят
осциллирующий
периодический
характер,
а
зоны
разрушения
возникают в точках максимумов нормальных тангенциальных напряжений.
Разработка математической модели зонального разрушения
массива
вокруг подземных выработок и установление механизма явления позволяет
переходить к теоретическим исследованиям и установлению существующих
здесь
закономерностей
В
случае
незакрепленных
выработок
наиболее
актуальными являются вопросы влияния прочностных свойств и параметров
трещинной
нарушенности
зональной
структуры
представляет
также
массива
горных
разрушения.
исследование
пород
Большой
влияния
на
характеристики
практический
крепления
на
интерес
параметры
зональной структуры.
Работа
выполнялась
фундаментальных
при
исследований
поддержке
РФФИ
Российского
(грант
фонда
№01-05-651180),
Минобразования Р Ф (№ГБ53.1.6.02/1), а также совместной программы Д В О
и У р О Р А Н (№К2004 - Р2 - ГрО - С09).
Ц е л ь работы заключается в установлении закономерностей явления
зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок.
Основная идея работы заключается в решении краевых задач механики
с использованием неклассической математич^ской-модеди, дефектной среды,
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ,
БИБЛИОТЕКА
i^^fj
разработке компьютерных программ и численного исследования на этой
основе закономерностей зонального разрушения сильно сжатого массива
горных пород вокруг подземных выработок.
Методы
и средства
поставленных
в
работе
исследования. Для исследования
задач
использовались
и
решения
теоретические
методы
механики дефектных сред, аналитические методы решения краевых задач
механики, методы программирования в математическом пакете M a t h C A D .
Н а у ч н ы е положения, з а щ и щ а е м ы е в диссертации:
1. Теоретическое представление массива горных пород на большой
глубине далекой от состояния термодинамического равновесия дефектной
средой
с
невьшолняемыми
в
общем
случае
условиями
совместности
деформаций адекватно описывает зональный характер разрушения вокруг
подземных выработок в натурных условиях.
2.
Параметры
зональной
структуры
разрзтпения
массива
вокруг
подземных выработсПс зависят от уровня напряженного состояния массива
(глубины разработки), характеристик трещинной структуры и прочностных
свойств пород.
3. Крепление
зональной
горной выработки оказывает
структуры
сопротивления
крепи
разрушения
таким
уменьшается
влияние
образом,
радиальная
на
что
параметры
с
ростом
протяженность
зон
разрушения по сравнению с незакрепленной выработкой, а само наличие
крепления выработки по ее кошуру увеличивает относительное критическое
напряжение
зонообразования
ближних
к
нему
зон
по
сравнению
с
незакрепленной выработкой.
Н о в ы е научные результаты, полученные лично соискателем:
-
поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о
напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости
с
заданными
на
бесконечности
напряжениями,
моделирующими
гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием со свободным
от
нагрузок
контуром,
моделирующим
незакрепленную
подземную
выработку;
-
поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о
напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости
с
заданными
на
бесконечности
напряжениями,
моделирующими
гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно
нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную
выработку;
-
установлены закономерности изменения параметров зональной структуры
разрушения горных пород вокруг подземных выработок в зависимости от
величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в том, что
с
ростом
напряжений
количество
зон
разрушения
возрастает,
увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних
зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена
к
контуру
выработки;
-
установлены закономерности влияния крепления на развитие зональной
структуры
разрушения
массива
вокруг
подземной
выработки,
заключающиеся в том, что наличие крепи увеличивает относительное
критическое напряжение зонообразования ближних к контуру зон по
сравнению с незакрепленной выработкой, а с ростом сопротивления крепи
уменьшается радиальная протяженность зон разрушения.
Достоверность н а у ч н ы х положений и выводов обеспечена: полным
удовлетворением граничных условий полученных аналитических решений
задачи
механики,
использованием
в
разработанных
компьютерных
программах методов программирования в математическом пакете MathCAD,
хорошим
согласованием
результатов
теоретических
и
натурных
экспериментальных исследований (отличие не превышает 25 % ) .
Научное
значение
работы
заключается
в
установлении
закономерностей зонального разрушения горных пород в сильно сжатом
массиве вокруг подземных выработок на больших глубинах.
Практическое
значение
и
реализация
работы
заключается
в
возможности использования полученных
закономерностей для прогноза
характера
при
поведения
горного
массива
строительстве
подземных
сооружений в условиях больших глубин, а также для прогноза влияния крепи
на
степень
разрушения
горного
массива
в
окрестности
выработки.
Установленные в ходе исследований закономерности создают основу для
совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных
горных выработок в условиях больших глубин.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы
докладывались
на
конференциях
«Проблемы
освоения
георесурсов
российского Дальнего Востока и стран А Т Р » (г. Владивосток, 2002, 2004 гг.),
«Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск,
2003г.), «Проблемы портовых городов» (г. Находка, 2003 г.) «Проблемы
подземного строительства в X X I веке» (г. Тула, 2004 г.).
П у б л и к а ц и и . П о теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
С т р у к т у р а и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав и заключения, изложенных на 81 странице машинописного
текста,
и
содержит
51
рисунок,
8
таблиц,
7
приложений,
список
использованной литературы из 112 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В о введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
задачи исследований, изложены новые научные результаты, полученные
лично соискателем, научная и практическая значимость работы.
В первой главе проведен обзор современного состояния исследований
проблемы зонального разрушения массива горных пород и рассмотрено
развитие экспериментальных
и теоретических
методов решения
зонального разрушения массива вокруг подземных выработок.
задачи
Проведена оценка результатов натурных (Б.П.Бадтиев, В.А.Борисовец,
И.Я.Елисоветский,
Ю.С.Кузнецов,
В.Н.Рева,
Б.И.Емельянов,
В.П.Лушпей,
М.П.Зборщик,
В.В.Макаров,
М.А.Розенбаум,
В.Я.Кириченко,
А.Ф.Морозов,
А.П.Тапсиев,
О.А.Хачай,
В.Н.Опарин,
А.В.Шмиголь,
G.R.Adams, A.J.Jager, B a i Shiwei, и др.) и лабораторных экспериментальных
исследований
Г.Л.Фисенко,
(Ф.П.Глушихин,
М.В.Курленя,
Е.И.Шемякин, М.Ф.Шклярский
В.Н.Рева,
М.А.Розенбаум,
и др.), а также гипотез и
теоретических исследований зонального разрушения массива горных пород
вокруг
подземных
В.Н.Одинцев,
выработок
(М.А.Гузев,
В.В.Макаров,
А.Ф.Морозов,
А.А.Парошин, А.Г.Протосеня, А.Ф.Ревуженко,
Э.А.Тропп,
А.И.Чанышев, Е.И.Шемякин и др.).
Механизм явления зонального деформирования и разрушения массива
вокруг
подземных
выработок, заключающийся в том, что
в
условиях
сильного неравнокомпонентного сжатия, имеющего следствием сдвиговое
микроразрушение
пород
на
структурных
неоднородностях
среды,
напряжения вокруг выработок приобретают осциллирующий характер, а на
локальных
участках
тангенциальных
(зонах)
напряжений
действия
развиваются
максимальньгх
трещины
отрыва,
нормальных
определяя
сжатие промежуточных зон в нормальном к контуру разуплотненных зон
направлении, установлен В.В.Макаровым.
Отмечаются достоинства и недостатки существующих методов и гипотез
зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок.
П о результатам
обзора сделаны выводы о необходимости
применения
неклассической модели механики дефектных сред для адекватного описания
массива горных пород в условиях больших глубин. Модель оазработана
В.П.Мясниковым, М.А.Гузевым, В.В.Макаровым и А.А.Парошиным.
Во
второй
главе
поставлена
задача
механики
о
незакрепленной
выработке в массиве горных пород на большой глубине, и для ее решения
проведена адаптация неклассической модели механики сплошной среды к
решению задачи зонального разрушения массива горных пород вокруг
подземной выработки в этих условиях.
Массив горной породы на большой глубине представлен далекой от
состояния термодинамического равновесия дефектной средой, находящейся в
условиях всестороннего сжатия. Краевая задача формулируется как задача о
напряженном состоянии невесомой плоскости, представленной сплошной
средой с дефектами, с заданными на бесконечности напряжениями,
моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием,
моделирующим незакрепленную подземную выработку (рис.1). В
силу
полярной симметрии задачи уравнения равновесия имеют вид:
dOj,
дг
+ -{а^-а^)=
О,
а,^ =0,
г^<г <ж.
где сг^ - нормальное радиальное напряжение, МПа;
(1)
а^
- нормальное
тангенщ1альное нагфяжение; сг^^ - касательное напряжение.
у
а
п
00
V \ ^
\
^
/ '*'
Ргю. 1. Расчетная схема задачи о незакрепленной выработке
На контуре выработки (г = г^) и на бесконечности заданы внешние силы
вида:
ст,, =0
при
г=Гд^
а„, а^^
а^
при
г-^ж,
(2)
где cr^=y -Н, у
п
- плотность пород, Н/м^; Н - глубина заложения
п
выработки, м.
Массив горных пород на большой глубине моделируется средой, где в
общем случае не выполняются условия совместности деформаций e^j:
/^=^-215^.^.0.
(3)
Параметр дефектности удовлетворяет уравнению:
A^R-r'^R = 0,
(4)
где Д - оператор Лапласа; f-параметр модели. Так как задача плоская и
осесимметричная, то в полярных координатах уравнение (4) примет вид:
^ii+iA^' R=r^R
(5)
дг^ г дг
Решение уравнения (5), убывающее при г ^да,имеет вид:
R{r)=aJ,{jfr)+bN,ijfr)+cK,Qfrl
(6)
где Jf^,Nff,Kg-- функции Бесселя, Неймана и Макдональда нулевого порядка
соответственно.
На
контуре
выработки
массив
горной
породы
претерпевает
значительные разрушения, поэтому параметр дефектности R здесь должен
быть отличен от нуля. Предполагая, что все зоны разрушения пород
равноправны и имеют
одинаковое
происхождение, вводится условие
экстремума функции R(r) в контурной и последующих зонах разрушения.
Отсюда краевые условия для функции R{r) выбираются в виде:
R'iri
\Г=Гд
=0,
где г определяется из эксперимента.
R'iri
\Г=Г
,=0,
(7)
Уравнение
для
первого
инварианта
напряжений
сг = сг +<т +СГ имеет вид:
22
ГГ
flW
Асг =
Л , o-->2(l + v)cr
2(1-)/)
с известной функцией
,г-»оо
(8)
"
R, где £ - модуль упругости, v - коэффициент
Пуассона.
Решение задачи (8) дает вьфажения для компонент напряжений:
(
2^
=а >-%
а
П
г'-
00
)
а
(fxp
-а 1 +г"*^
-^^foy^-rybNJ^rr-rycK^irr-r)
]+
00
+ / _^2\ 3/2 ;ki(V7-r)-fuA^i(V7-rKcA:^(V7-r)],
(9)
где г - расстояние от центра выработки до выбранной точки массива.
Напряжения вокруг выработки носят осциллирующий характер (рис.2).
1
5
h.
\
\
»/ \ '
Я(г)
<TrrWac
—-
■
W у
7/\ л
?
1J w
>
/
\
-'
Д_/\
Д-1 ^
/
°'f4i^r)/<Tc -!■
\
/
г
А '\\
/
\
ч
J.-'
/-• л
^ / V'^°'
Рис 2. Осциллирующий характер напряжений и Л - функции в массиве вокруг
подземной выработки
10
Зоны
разрушения
возникают
на участках
выполнения
условий
отрывного разрушения при сжатии:
К,={ж-1)"^-{)',-<у',-ууа',)
> К,,,
(10)
где / - полудлина трещинных дефектов массива, которая принимается равной
соответственно max и min главные напряжения, М П а ; /,, у^- эмпирические
коэффициенты; Ki - коэффициент интенсивности напряжений, М П а м ^ ; К^^
- трещиностойкость горных пород, МПа-м^.
В качестве критериальной функции выбирается отношение
Кг{г)^К,1К,^.
(11)
При K^ /К^^<\ разрушения вокруг горной выработки нет; при А", /А",^ >1
начинается образование трещин.
Критериальная функция, также как напряжения и функция R, имеет
осциллирующий характер (рис.3). Сравнение результатов аналитических и
экспериментальных
исследований
показывает
их хорошую
сходимость
(табл.1).
^\/^1С с
1
\
уя
2
?
4
-1
Рис 3 Характер изменения критериальной функции
11
г/г^ Г
Таблица 1
Сравнение результатов теоретических исследований с данными экспериментов
В Н И М И для условий Донбасса (незакрепленная выработка)
Вид исследования, отклонение в
процентах
Эксперимент
Теория
Отклонение, %
Эксперимент
Теория
Отклонение, %
Элементы зональной структуры
1-я зона
2-я зона
4-я зона
3-я зона
разруше разруше разруше разруше
ния
ния
ния
ния
Положение дальней границы зоны, г/го
1,03
2,23
3,40
4,54
1,28
2,17
3,09
3,97
24,3
-2,7
-9,1
-12,6
Относительные критические напряжения
образования зоны,
а/а^
2,2
2,7
1,1
0,95
2,1
3,1
-13,9
-4,5
14,8
-
В третьей главе произведено исследование закономерностей зонального
разрзлшения горных пород вокруг незакрепленной подземной выработки.
Для
проведения
программы,
в
исследования
которых
написаны
запрограммированы
функции дефектности R(r),
алгоритмы
формулы
и
для
составлены
вычислений
напряжений, а также критериальной функции
Кг(г)
На
основе
разработанных
программ
проводился
вьпислительный
эксперимент, в котором анализировались параметры трех типов. К первому
типу
относятся
параметры
модели
у,
с,
которые
определяются
из
эксперимента с учетом условий всестороннего сжатия на большой глубине.
К о второму типу относятся параметры, характеризующие механические
свойства
горных
пород
массива: Е
-
модуль
упругости, М П а ;
v -
коэффициент Пуассона; ст^ - предел прочности на одноосное сжатие, М П а , а
также величина гравитационных напряжений в массиве а^, М П а .
К
третьему типу относятся параметры, входящие в выражение (10),
которые
характеризуют
трещинную
12
структуру
массива:
полудлина
трещинных дефектов массива - /; трещиностойкость породы -А",^, а также
коэффициенты /^ и у^ (в дальнейшем используется отношение Уъ^У\)Для подбора указанных параметров были составлены шесть программ:
программы подбора параметров модели у -ц с ; программы определения
положения последней зоны разрушения (для закрепленной и незакрепленной
выработок);
программы
вычисления
радиальной
протяженности
зон
разрушения (для закрепленной и незакрепленной вьфаботок).
Разработаны блок - схемы профамм и приведено их краткое описание.
Получены
зависимости
разрушения
массива
изменения
от
влияющих
параметров
факторов.
зональной
В
структуры
качестве
основных
параметров зональной структуры выделены: количество зон разрушения;
положение наиболее удаленной от контура выработки границы разрушенных
пород
(последней
зоны
разрушения);
относительные
критические
напряжения зонообразования, а также величина радиальной протяженности
разрушенных зон.
В
результате проведения вычислительного эксперимента на основе
принятой математической модели установлено, что параметры зональной
структуры незначительно зависят от величины параметров упругих свойств
горных пород Е
исследований
-R V. Этот вывод соответствует данным лабораторных
ВНИМИ
(при
изменении
модуля
упругости
в
10 раз
критические напряжения зонообразования изменяются в среднем на 2-5 % ) .
Исследования
закономерностей
зонального
разрушения
проведены
для
случаев весьма прочных пород (сг^=150 М П а ) и для малопрочных пород
(сг,=15МПа).
Установлено,
что
основным
фактором,
влияющим
на
параметры
зональной структуры разрушения, является величина действующих в массиве
напряжений (глубина заложения вьфаботки). С ростом напряжений растет
число разрушенных зон, увеличивается их радиальная протяженность вплоть
до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к
13
контуру выработки. При этом граница последней зоны разрушения
перемещается вглубь массива (рис.4).
Весьма существенное влияние на характер зонального разрушения
оказывают и параметры трещинной структуры массива. Так, радиальная
протяженность
зон
разрушения
уменьшается
при
трещиностойкости породы (рис.5). С уменьшением
породы зоны разрушения
напряжениях, а
появляются
при
увеличении
трещиностойкости
меньших
относительных
расстояние последней зоны разрушения от контура
выработки увеличивается.
Интенсивность нарушенности пород также оказывает существенное
влияние на параметры зональной структуры разрушения. При увеличении
длины трещинных
дефектов
массива радиальная
протяженность
зон
разрушения возрастает. Этот параметр уменьшается при увеличении
отношения Y■ilY^■ Закономерности, установленные для малопрочных пород,
описанные выше, оказываются справедливыми и для прочных пород.
O/CTf
Г/Го
Рис. 4. Зависимость положения последней зоны разрушения
от действующих в массиве напряжений
14
^/h
оJ
***s,»C!P
0,4
l,S
Kic, МПа M^
Рис. 5 Зависимость радиальной протяженности первой зоны разрушения
от трещиностойкости породы
В
четвертой
главе
проведено
исследование
закономерностей
зонального разрушения сильно сжатых горных пород вокруг закрепленных
подземных выработок.
Рассмотрена постановка и решение задачи о подкрепленной выработке.
Массив
горной породы на большой
глубине
представлен далекой от
состояния термодинамического равновесия дефектной средой, находящейся в
условиях всестороннего сжатия. Краевая задача формулируется как задача о
напряженном состоянии невесомой плоскости, представленной сплошной
средой
с
дефектами
с
заданными
на
бесконечности
напряжениями,
моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием,
равномерно
нагруженным по контуру
и моделирующим
закрепленную
подземную выработку.
Условия равновесия и несовместности деформаций формулируются
аналогично задаче о неподкрепленной выработке.
15
Из натурных и лабораторньпс экспериментов следует, что крепление
существенно уменьшает разрушения на контуре выработки, поэтому в
качестве первого приближения здесь вводятся условия
(12)
л и , =0.
Функция R достигает экстремума в первой и последующих зонах
разрушения, поэтому второе краевое условие для функции R принимается в
виде:
R
Г=г
(13)
:0.
Кроме того, граничные условия в уравнении равновесия принимают вид:
о;г=Р
при
г=Го,
(14)
где Р - отпор крепи, МПа.
Расчетная схема задачи о закрепленной выработке представлена на
рис.6.
Рис.6. Расчетная схема задачи о закрепленной выработке
16
в результате решения указанной краевой задачи получены следующие
выражения для компонент напряжений:
(7
гг
~а
00
f л
к
1-Лг^
)
2
(15)
(
a
-a
(p(p
CO
U\
2\
r
J
4к(л/г-'-)+*^,(л/?-'-)+с^,(л/г-'-)]-
Ф^^4^-
2
-^(^_^ly3/2-J-(4(V^-^oK^^(V^-^o)+^^.(V^-^o))-^-^-
(16)
Методы, разработанные в третьей главе для изучения закономерностей
зонального разрушения массива горных пород в случае незакрепленной
выработки, легли в
основу
исследования закономерностей
массива в случае закрепленной выработки. В
результате
разрушения
проведенного
вычислительного эксперимента на основе предложенной математической
модели с использованием вышеуказанных программ исследовано влияние
всех
определяющих
факторов
на
параметры
зональной
структуры
разрушения.
Получены зависимости количества зон разрушения, их радиальной
протяженности и положения последней зоны от величины относительных
напряжений
в массиве, механических свойств пород и параметров их
трещинной структуры.
Установлено, что, как и в случае незакрепленной выработки, основным
фактором, влияющим
на параметры зональной структуры разрушения,
является величина действующих в массиве напряжений (глубина заложения
17
выработки). С ростом напряжений граница последней зоны разрушения
перемещается вглубь массива, число зон разрушения и их радиальная
протяженность увеличиваются.
Параметры
трещинной
структуры
массива
также
оказывают
существенное влияние на зональное разрушение пород вокруг закрепленной
выработки: радиальная протяженность зон разрушения уменьшается при
увеличении трещиностойкости породы. С уменьшением трещиностойкости
породы
критические
расстояние
напряжения
последней
зоны
зонообразования
разрушения
уменьшаются,
а
от
контура
выработки
на
параметры
зональной
увеличивается.
Также
оказывает
существенное
влияние
структуры разрушения интенсивность нарушенности пород. При увеличении
длины
трещинных
дефектов
массива
радиальная
протяженность
зон
разрушения возрастает (рис. 7). Радиальная протяженность зон разрушения,
напротив, уменьшается при увеличении отношения коэффициентов 7^1 ух^/Ч
Уз/Ух = 0.7^
0,8^
0.S
<
0,9^
0,4
10
I, t*]0 '
Рис 7 Зависимость радиальной протяженности первой зоны разрушения от
размеров трещинных дефектов массива
18
Проведены
случаев
сравнительные
незакрепленной
критические
исследования
и ' закрепленной
напряжения,
при
которых
результатов
расчетов
для
выработок.
Установлено,
что
начинается
образование
зон
разрушения, существенно разнятся для двух рассматриваемых случаев. Если
для первой зоны разрушения крепление выработки замедляет появление зоны
(требуются большие напряжения для начала ее образования) (табл. 2), то для
третьей
зоны
разрушения,
наоборот,
крепление
несколько
уменьшает
величину критических напряжений.
Показано, что вокруг закрепленной выработки также возможно развитие
зонального
разрушения
массива.
Однако
это
может
происходить
при
значительно больших напряжениях (глубинах заложения), чем в случае
незакрепленной выработки. Так, если без учета крепления первая зона
разрушения должна образоваться при значениях yJJ
= 0,82, то в этих же
условиях наличие крепи даже с небольшим сопротивлением {Р = 0,1 М П а )
позволяет формироваться зональному разрушению только при у,Д= 1,13 (см.
табл. 2).
Сравнение
результатов
теоретических
исследований
с
экспериментальными показывает, что учет фактора крепления в модели
значительно улучшает описание натурных
свидетельствует
о
высокой
наблюдений (см. табл. 2). Это
достоверности
полученных
результатов
и
обоснованности выбора граничных условий краевых задач.
Исследовано также влияние величины сопротивления крепи на развитие
зон
разрушения.
Установлено,
что
с
ростом
сопротивления
крепи
уменьшается радиальная протяженность зон разрушения, а относительные
критические напряжения образования этих зон увеличиваются. Влияние
величины
сопротивления
крепи
на
параметры
зональной
разрушения для малопрочных пород показано в табл. 3.
19
структуры
Таблица 2
Сравнение результатов теоретических исследований для незакрепленной и
закрепленной выработок с данными экспериментов
Вид исследования, отклонение в
процентах
Эксперимент
(среднее по скважинам)
Теория (незакрепленная выработка)
Отклонение, %
Теория (закрепленная выработка)
Отклонение, %
Элементы зональной структуры
1-я зона
2-я зона
3-я зона
разрушения
разрушения
разрушения
Положение дальней границы зоны,
2,47
г/го
3,97
5,3
2,35
4,16
5,90
4,9
4,8
11,3
2,29
4,15
5,93
7,3
4,5
11,9
Относительные критические напряжения
образования зоны,
СГ/СГ,:
Эксперимент
Теория (незакрепленная выработка)
Отклонение, %
Теория (закрепленная выработка)
Отклонение, %
1,1
0,82
25,0
1,13
3,0
2,2
1,95
11,5
1,94
11,8
2,7
2,60
3,7
2,49
7,7
Таблица 3
Влияние сопротивления крепи на радиальную протяженность первой зоны
разр)тпения массива
Сопротивление крепи
Р,
МПа
0,1
1
5
10
Радиальная
протяженность первой
зоны разрушения,
0,257
0,251
0,229
0,194
г/го
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная
диссертационная
работа
является
научным
квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором
исследований
дано
решение
актуальной
задачи
геомеханики
по
установлению закономерностей зонального разрушения горных пород вокруг
подземных выработок на больших глубинах.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в
следующем:
1. Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии
невесомой,
в
общем
случае
дефектной,
плоскости
бесконечности напряжениями, моделирующими
с
заданными
на
гравитационное поле, и
ослабленной круглым отверстием со свободным от нагрузок контуром,
моделирующим незакрепленную подземную выработку.
2
Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии
невесомой,
в
общем
случае
дефектной,
плоскости
с
заданными
на
бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и
ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и
моделкфующим закрепленную подземную выработку.
3.
Разработаны
радиальной
алгоритмы
протяженности
и
зон
программы
разрушения
определения
(для
незакрепленной выработок), программы определения
программы
определения
положения
последней
величины
закрепленной
и
параметров модели и
зоны
разрушения
(для
закрепленной и незакрепленной выработок).
4. Получены зависимости радиальной протяженности зон разрушения от
исследуемых
параметров:
механических
свойств
пород,
величины
напряженного состояния массива (глубины заложения выработки), а также
параметров трещинной структуры массива: трещиностойкости, размеров
трещинных
дефектов
критериальной
и
функции.
отношения
Эти
корректирующих
зависимости
21
охватывают
коэффициентов
условия
как
малопрочных,
так
и
прочных
пород
в
случаях
незакрепленной
и
закрепленной выработки.
5. Установлены закономерности изменения параметров зональной
структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при
изменении величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в
том, что с ростом напряжений количество зон разрушения возрастает,
увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних
зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки.
6. Установлены закономерности изменения параметров зональной
структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при
изменении характеристик трещинной структуры массива, заключающиеся в
том, что с ростом размеров трещинных дефектов радиальная протяженность
зон разрушения увеличивается, а относительные критические напряжения
зонообразования уменьшаются.
7. Установлены закономерности
влияния крепления
на развитие
зональной структуры разрушения массива вокруг подземной выработки,
заключающиеся в том, что с ростом сопротивления крепи уменьшается
радиальная протяженность зон разрушения, появление этих зон затрудняется,
а
само наличие
крепления
выработки
по
ее
контуру
увеличивает
относительные критические напряжения зонообразования ближних к нему
зон по сравнению с незакрепленной выработкой.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1.
Макаров
В.В.,
Ксендзенко
Л.С,
Сапелкина
В.М.,
Кива
М.Н..
Осцилляционный характер напряжений вокруг пройденных в сильно
сжатых породах выработок и зональное разрушение массива// Сборник
трудов международной конференции «Геодинамика и напряженное
состояние недр Земли». -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2002.- С. 138-144.
22
2.
Макаров В.В., Ксендзенко Л . С , Сапелкина В.М., Кива М.Н.. Зональное
разрушение массива и осцилляционный характер напряжений вокруг
пройденных в сильно сжатых породах выработок// №вестия Т у л Г У ,
Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». В ы п . 2. - Тула:
Изд-во Т у л Г У , 2004.-С 193-198.
3.
Макаров В.В., Ксендзенко Л . С , Сапелкина В.М., Кива М.Н., Опанасюк
Н.А..
О
влиянии
крепления
на
развитие
зональной
структуры
разрушения сильно сжатых горных пород вокруг подземных вьфаботок//
Международная
конференция
к
60-летию
Горно-геологического
института З С Ф А Н С С С Р - Института горного дела С О Р А Н , 25 - 29
октября 2004 г. -Новосибирск: И Г Д С О Р А Н , 2005.-С. 215-221.
4.
Ксендзенко Л . С , Сапелкина В.М.. Применение неклассических моделей
механики сплошной среды при расчете напряжений вокруг горных
выработок
круглого
конференции
сечения
«Проблемы
на
больших
портовых
глубинах//
городов»,
23
Материалы
ноября
2003 г.­
влияния
свойств
Находка: Изд-во Н И Э И , 2003.-C.21.
5.
Ксендзенко
Л.С,
Сапелкина
В.М..
Исследование
горных пород на развитие зональной структуры разрушения вокруг
подземной выработки// Труды Д В Г Т У . В ы п . 137.-Владивосток: Изд-во
Д В Г Т У , 2004.-С. 135-137.
6.
Ксендзенко Л.С , Сапелкина В.М., Яценко О В.. Исследование влияния
глубины заложения на развитие зональной структуры разрушения вокруг
подземной выработки// Труды Д В Г Т У . В ы п . 138.-Владивосток: Изд-во
Д В Г Т У , 2004.-С. 84-85.
7.
Ксендзенко
Л.С,
Сапелкина
В.М..
Применение методов
механики
дефектных сред в задачах зонального разрушения массива в случаях
закрепленной и незакрепленной подземных выработок// Труды Д В Г Т У .
В ы п . 140.-Владивосток: Изд-во Д В Г Т У , 2005.-С 156-159.
23
»213 68
РНБ Русский фонд
САПЕЛКИНА Валет
2006-4
^ ^ ^ ^ _
20068
ЗАКОНОМЕРНОСТИ 30HAJbnv^i yj глог у иизш'ьа
ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ГЛУБИН
Автореферат
Подписано в печать 31.10.05. Формат 60x84/16
Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ 162
Типография издательства ДВГТУ. 690950, Владивосток, Пушкинская, 10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
771 Кб
Теги
bd000101129
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа