автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Аномальные явления деформирования и разрушения пород в окрестности горных выработок

Г о

? 1 ДЕК 1£23

На правах рукописи

4

МАКАРОВ Владимир Владимирович

АНОМАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ II РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальности: 05.15.04 - "Строительства шахт

и подземных сооружений" 05.15. II - "Физические процессы горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, докт. техн. наук, проф. Булычев Н.С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф..И.В.Баклашов

докт. техн. наук, проф. В.Н.Каретников докт. техн. наук, проф. В.С.Куксенко '

Ведущее предприятие - Государственное предприятие научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ)

Защита состоится ^еи'слСЬ^с 1998 г. в УД- час. на заседании диссертационного совета Д 063.47.01 Тульского государственного университета по адресу : 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный корпус 9, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан "в " НСЛ^ГрЛ-1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, Деформирование и разрушение горны* порол при проходке горных выработок на больших глубинах в ряде случаев носит аномальный характер, известный в литературе как "зональная дезинтеграция '. Зарегистрированное в 1992 в качестве открытия, явление зональной дезинтеграции до сих пор не нашло своего удовлетворительного объяснения.

Установленное в экспериментах нарушение монотонности деформирования пород в окрестности горных выработок, локализации разрушения на дискретных участках массива (зонах) затрудняет описание такого поведения пород на основе классических моделей механики сплошной среды.

Решение проблемы установления механизма зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок имеет важное значение для развития теоретической и экспериментальной геомеханики, а также для разработки технологии строительства горных выработок в условиях больших глубин.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований Лг« 97-05-64923, РФФИ-ГФЕН Китая № 9в-' 05-00057с, Минобразования РФ (№ 35603 Гр/СПГ-10), а также хоздоговорных тем с предприятиями цветной металлургии и угольной промышленности, проведенных с участием автора в 1978-1994 г.г. (номера госрегистрации 77036161, 81026307).'

Цель работы заключается в установлении условий возникнете- . кия, механизма и закономерностей явления зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок.

Основная идея работы заключается в экспериментальном воспроизведении аномальных эффектов деформирования и разрушения горных пород, применении методов механики сплошной среды с дефектами для анализа условий локализации отрывного разрушения пород в окрестности горных выработок.

Методы исследований включают лабораторные экспериментальные исследования деформирования и разрушения образцов горных пород, натурные экспериментальные исследования деформирования и разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок, методы фотоупругости, аналитические методы механики сплошной среды с дефектами н механики разрушения.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их ли-визиа:

- установлен механизм образования вокруг подземных выработок системы чередующихся разуплотненных и сжатых породных зон, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомронентного сжатия горных пород и обусловленного этим развитием микросдвиговых разрушений на неоднородностях среды, напряжения в массиве приобретают периодический характер, а на локальных участках (зонах) действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений развиваются трещины отрыва, определяя сжатие промежуточных зон в нормальной к границе разуплотненных зон направлении;

- экспериментально установлено явление разнознакового приращения деформаций по высоте образца горных пород при одноосном сжатии,-заключающееся в изменении злака приращения продольных и

. я

поперечных деформаций на участке развития трещины отрыва и одновременном приращении 'деформаций прежнего знака, существенно (аномально) превышающем характерный для данной породы уровень,

на прилегающих по высоте образца участках, что обусловлено распирающим действием сдвиговых трешинообразукмцих дефектов;

- выбрана и впервые применена в геомеханике модель сплошной среды с дефектами, на основе которой поставлена (совместно с М.А.Гузевым) и применена для анализа условий разрушения отрывом горных пород вокруг подземных выработок задача механики о напряженном состоянии невесомой плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым Лверстнем, равномерно нагруженным но контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку; при численном анализе решения которой установлена зависимость расстояния от центра сечения выработки до наиболее удаленной зоны отрывного разрушения о г величины отношения гравитационных напряжений к величине предела прочности пород на одноосное сжатие, хороню согласующаяся с данным» лабораторных экспериментов (максимальные отклонения 10%).

Досговерностьпаучных положений н выводов обеспечен.»: удовлетворительным согласованием измерений деформаций образцов различными методами (отклонение не превышало 7 %), полным удовлетворением граничных условий выбранного аналитического решения задачи механики, хорошим согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение не превышает И) %), качественным совпадением результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований.

Научное значение паботы заключается в установлении механизмов явлений аномального деформирования и разрушения горных пород в образцах при одноосном сжатии н в массиве вокруг подземных выработок; разработке способа создания искусственных трещин, моделирующих трещины отрыва, развивающиеся а образце горных пород при сжатии; установлении закономерностей зонального деформирова-

ния и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок в условиях действия больших сжимающих напряжений; установлении закономерностей деформирования образцов горных пород при развитии трещин отрыва.

Практическое значение м реализация работы заключается в разработке способов крепления и поддержания подземных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения массива горных пород; разработке рекомендаций по повышению устойчивости обна: женин очистных выработок, отрабатываемых системой с магцзшшро-ванием в условиях зонально деформированного и разрушенного массива. Установленные в ходе экспериментальных и аналитических исследований закономерности дают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных горных выработок в условиях больших глубин, создают предпосылки повышения надежности прогноза горных ударов, а также управления устойчивостью очистных выработок при естественном поддержании кровли.

■ Результаты диссертационной работы использованы П/О "Приморскуголь" для разработки технологии проведения капитальных выработок в условиях шахты им.Артема, П/О "Северовостокзолото" для разработки технологии ведения работ в условиях рудники пм.Матросова. .

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на IV Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород"(Новосибирск, 1982), II Всесоюзной конференции по проблемам механики подземных сооружений, (Тула, 1982), X Всесоюзном семинаре "Измерение напряжений в массиве горных пород"(Новосибирск,1987), X Международной конференции но механике горных пород (Москва, 1993), XI Рос-

сийской конференции по механике горных пород "Russia Rock" (Санкт-Петербург, .1997 ), Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятелыгостн"(Влаципосток, 1994)," 51-ой .Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов il докторантов" (Санкт-Петербург, 1997), Международной конференции ." Проблемы создания экологически чпегых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (Тула, 1997 ), Международной конференции "Нелинейные явления а дефектных материалах" (Тула, 1997), ira заседании Российской тоннельной ассоциации (Тула, 1996 ), на заседаниях семинара "Проблемы Механики подземных сооружений" (Тула. 1990, 1992, 1997,1998), на заседании семинара "Проблемы механики дефектных сред" {Владипостой, 1996), на научном симпозиуме "Неделя горняка-98" (Москва, 1993), на Московском научном семинаре акая. Е.И.Шемякина (Москва, 1998), из научно-технических конференциях ДВГТУ (1982- 1998). - ' :

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 основных печатных работ, в том числе ! монография.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав н заключения, изложенных на 190 страницах машинописного'текста, и содержит 65 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 238 наименований и 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность академику РАН В.П.Мясмикову, профессору Ю.Н.Картапюву, канд. физ.-маг. наук М.А.Гузеву за плодотворное творческое сотрудничество, канд.техн. наук В.П.Лушпею, профессору Б.И.Емельянову, профессору А.А.Кявтаськину за многолетнюю поддержку исследовании, доктору физ.-мат. наук Ю.Е. Шнщмареву за внимание к работе и помощь,в ее организации, канд. техн. наук М.И.Звонареву, канд.техн.

наук Н.А.Николайчуку, инж. В.И.Рухмакову, канд.техн. наук • . М.Д.Илышову, канд.техн. наук В.А.Коршунову, ст.научн.сотр. В.А.Козлову, за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Аномальный характер разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок, -заключающийся в локализации трещин отрыва на дискретных участках.массива (зонах), чередующихся с зонами относительно ненарушенных пород, по-видимому, впервые экспериментально установлен одновременно и независимо Ю.С. Кузнецо-_ вым в 1983 г. (капитальные выработки) и G.R. Adams, AJ. Jager в 19Е0 г. (очистные выработки). Периодическую неоднородность физических свойств пород вокруг подземных выработок исследовали В.А.Борнсовец, И.Я.Елисоветскии, В.Н.Опарин, А.П.'Гапсиеа и другие. В.Я.Кириченко, А.Ф.Морозов, В.Н.Рева, А.В.Шмиголь и другие экспериментально исследовали зональное деформирование и разрушение массива вокруг выработок. Ф.П.Глушихин, М.Ф-Шклярский и другие исследовали закономерности периодической локализации отрывного разрушения горных пород вокруг подземных'выработок на моделях из эквивалентных материалов. . .

В работах А.Л.Метлора, . Л.С.Метдова, А.Ф.Морозова, В.Н.Одинцева, А.Г.Протосени, М.А.Розенбаума, Э.А.Троппа, А.И.Чанышева, Е.И.Шеиякина, и других выдвинуты гипотезы и рассмотрены возможнее механизмы периодической локализации процессов разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок..

Различные аспекты зонального разрушения и деформирования горных пород в массиве вокруг подземных выработок рассмотрены также в работах 'А.Д.Алексеева, И.В. Дмитриева, В.Е.Зайденварга,

М.П.Зборщика, М.В.Курлени, А.Ф.Ревуженко, И. Л .Черняка, Bai Shiwei, GuZliimeng, Xu Yunyao и других.

В 1992 году зарегистрировано открытие явления "Зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок".

Отрывной характер разрушения горных пород при сжатии экспериментально исследовано И.В.Баклашовым, Ю.М.Карташовым,

A.Н.Ставрогиным, К.Т.Тажибаевыи, Б.Г.Тарасовым, Г.Л.Фисенко, Z.T.Bieniawski, Th.R.Seldehraîh, J.Gramberg и другими.

Механизм отрыва при сжатии исследован в рамках микромеха-1ШК11 разрушения Л.Н.Германовичем, А.В.Дыскиным, Р.Л.Салгаником, S.Nemet-Nasser и другими. Развитие макрогрещин отрыва при сжатии горных пород исследовало Р.Л.Гольдштешюм, Л.В.Никитиным, U.M.Осипенко, В.Н.Одпнцевмм, J.Cramberg и другими. ' ~

Аномальный характер деформирования образцов горных пород при сжатии в предратрушающей области нагружсння, по-видимому, впервые обнаружен U.C. Томашевсхой и Я.H. Хамндуллнным в 1972 году. Деформационные аномалии образно« горных пород 'при сжатии исследовали 'С.0.Кузнецов, Б.В.Мигееен, Г.А.Соболев и И.Р.Стахопскпй (боль?:л1С образцы), К.Т.Тахнбаез и другие. Для (Объяснения аномалий чЪтдпкнутм гипотезы неоднородности деформнро-зания горных пород, остаточных напряжении, дилатансни и другие.

■ Применимость к описанию'среды с дефеккамн классических моделей сплошных сред встречает ряд пршшигшальпых трудностей. Развиваемые в последние годы в работах Ю.В.Гринкева, Л.Калил,

B. Е.Панина, Д.Эдепен и других модели механики сплошных сред с дефектами показали свою эффективность при списании вихревых полей пластических деформации, периодических структур пластического деформирования металлов.

В.П.Мясниковьщ разработан класс моделей сплошных сред с дефектами, описывающий большие упругопластические деформации материалов. М.А.Гузевым развита модель В.П.Мясникова и вреден параметр дефектности среды, определяемый отклонением от условия совместности деформаций.

В диссертации развивается подход к рассмотрению механизма зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок с позиций математического моделирования массива сплошной средой с дефектами и экспериментального воспроизведения деформационных эффектов отрывных трещин в породных моделях.

Аномальный характер деформирования и разрушения пород и угля вокруг капитальных одиночных выработок исследован на шахте им.Артема (Приморье). Породы месторождения - ■ малопрочные аргиллиты, с пределом прочности ас ¿8 МПа (для угля МПа), -при этом уН/стс (глубина 200 -.250 и). Деформирование массива в окрестности выработок имеет зональный характер. На контакте массива с крепью формируется зона сжатых, относительно уплотненных пород, за ней следует зона значительного разуплотнения, Затем - зона сжатых пород, вновь зона значительного разуплотнения и так далее в глубь массива. Зоны, охватывают контур, сечения выработок, их ширина составляет 1-1,5 м.

Установлено, что в массиве в период поддержания выработки возникаег протесе самопроизвольного, знакопеременного во времени приращения радиальных деформаций, распространяющийся в глубь массива. Скорость распространения фронта процесса знакопеременных приращений деформаций составила 0,7 - 1,1 м/сут (0,81-1,24 х10 5 м/с).

Проведены исследования зонального разрушения горных пород вокруг выработок, подвергшихся воздействию горного удара, в условиях Южного месторождения (Приморье) по результатам кернового бурения скважин и анализа выбуренного керна.(рнс. I).

| | | - зоны трещин | « | -рудноетело

Масштаб 1 м

Рис. I. Характер зонального разрушения массива вокруг рудного штрека жилы №4 рудника "Приморский" после воздействия горного . удара на.расстоянни 20 м отданного сечения

, Бурение проводилось после горного удара. Горные работы на участке наблюдения до бурёнич не велись. Пробурено 4 веера скпажнн в сечениях выработки на расстоянии 20, 33, 41 и 140 м от очага горного удара. Фиксировались интервалы выхода буровой мелочи, интервалы

дискообразования керна по длине скважины, количество дисков, их толщина и форма, интенсивность трещиноватости, а также тип пород и руд, пересекаемых скважиной.

Выход буровой мелочи рассматривался как признак интенсивной ¡рсщиноватостн, а дискование керна рассматривалось как свидетель-С1 во повышенных сжимающих напряжений.

Установлен неравномерный характер сжатия промежуточных зон: толщина дисков максимальна для участков, непосредственно примыкающих к разуплотненным зонам, и минимальна в средней части сжатых зон.

С удаленней от очага горного удара суммарная протяженность участков трещинообразования уменьшаегся. С удалением от контура сечения выработки уменьшается радиальная протяженность зон трещин, радиальная же протяженность промежуточных сжатых зон, напротив, возрастает.

Исследован эффект смены знака приращения деформаций при испытании образцов горных пород на одноосное сжатие. Испытаниями охвачены основные группы пород от весьма прочных (изверженных) до малойрочных /осадочных). Деформации измерялись тензорезисторами с базой 10 мм и регистрировались тензостнацией СИИТ-3.

Типичные деформационные кривые показаны на рис.2. Аномальный характер деформирования заключается в отрицательном приращении продольных и поперечных деформаций образца при увеличении напряжений в предразрущающен области нагруження.

Рассматривалось несколько гипотез аномального деформирования образцов: гипотеза остаточных напряжений, неоднородности

б.

——ф^

Те тзорезисторы

V су, МПа 60

1 40 1

" 2 \ 20

•

1,0 0,5

ЕзХЮ"

1,0

2,0

Е,х10°

Рис.2. Схема испытаний < а) и характер смены знака приращения деформаций образцов

горных пород при сжатии (б)

деформационных евойегв породы, гипотеза трещинообразования и другие. В диссертации разработана гипотеза трещинообразования.

Разработан способ исследования аномальных эффектов деформирования образцов горных пород при одноосном сжатии с применением датчиков часового типа, исключающий выход из строя измерительных приборов при естественном развитии трещин, заключающийся в том, что датчиками часового тина производятся измерения продольных деформаций заранее выбранных участков образца, на границах которых приклеиваются металлические порожки, служащие упором для индикаторов, а поперечные деформации могут быть измерены как индикаторами (в радиальном направлении), так и тензорезистора-ми.

На образцах аргиллитов установлен аномальный характер продольных деформаций при нагрузках 0,6 - 0,8стД1. Аномальный характер деформирования сохраняется при циклической нагрузке.

Нагруженае монолитных образцов весьма прочных гранитов до напряжений 0,8одд показывает, что аномальные деформационные эффекты в этом случае отсутствуют. Они возникают только в предварительно нарушенных образцах при нагрузках 0,6 - 0,8ада и сохраняются при циклическом нагружении.

Таким образом, установлено, что продольные деформации образцов монолитных связных и весьма прочных, но предварительно нарушенных пород приобретают аномальный характер при напряжениях 0,6 - 0,8адл. Полученные результаты являются косвенным доказательством того, что. процессы трещинообразования являются причиной аномального характера деформирования образцов горных пород.

Произведено измерение деформаций по всей высоте образца как с применением рассмотренного способа, так и тензорезисторами. Обнаружено существовании двух аномшшй: "отрицательной", рассмотрен-

ной выше, и "положительной", заключающейся в одновременном с отрицательным приращением деформаций на каком-либо локальном участке образца появлением на соседних участках значительных приращений деформаций обычного знака, существенно (аномально) превышающих их средний уровень при обычном характере деформирования. Величина приращения деформаций на участке "положительной" \

аномалии в 1,5 - 3 раза и более превышает среднюю по образцу при обычном характере деформирования.

Разнознаковое приращение деформаций по высоте образца уста- • новлено и на предварительно нарушенных образцах гранита, в то время как на монолитных образцах такой характер деформирования отсутствует.

Исследования с применением тензорезисторов и нагружением монолитных образцов весьма прочных пород до ov* также показывают наличие " отрицательной" и "положительной" аномалий на соседних участках образца в предразрушающей стадии нагруження.

Таким образом, во всех ситуациях с появлением "отрицательной" деформационной аномалии на каком-либо локальном участке образна,-на соседних участках образца по его высоте формируется " положительная " деформационная аномалия. . •

Исследовано разгружающее действие отрывных трещин при создании горизонтальных распилов в нагруженных образцах, а также методом фотоупругостн..

Методика фотоупругих исследований заключается в фиксации . параметров интерференционных полос вокруг копчика трещин при растяжении и сжатии фотоупругой пластинки, ослабленной двумя не-коллинеарными тонкими разрезами разной длины, имеющими общую ось симметрии, и расчете коэффициента интенсивности напряжений.

Эксперименты проведены на* материале ЭД-6МА, изготовленного на основе эпоксидной смолы, отвергаемой малеиновым ангидридом.

Установлено, что при близком расположении трещин коэффици- • еит интенсивности напряжений в их кончиках снижается как у "маленьких", так и у "больших" трещин. 90 - 95 % снижения величины коэффициента интенсивности происходит при расстояниях между трещинами, меньших чем 0,8 дайны "большой" трещины. Наибольшая величина разгружающего действия трещины имеет место при расстояниях, меньших половины ее длины.

Аналогичные исследования, проведенные в условиях сжатия пластинки с взаимодействующими трещинами, показывают, что л этом случае разгружающее действие трещины имеет место до момента контакта берегов.

Разработан способ создания в образце горных пород искусственных трещин, воспроизводящих разгружающее действие трещин отрыва. Трещины в этом случае моделируются распилами, наносимыми в предварительно нагруженном образце тонкими алмазными дисками (толщиной 0,1 - 0,2 мм). Исследования деформаций вокруг искусственных трещин проведены на однородных малопрочных образцах аргиллитов. Торцовые условия, и условия нагружения выдерживались такими же, как и при исследовании образцов с естественным развитием трещин отрыва. Измерения деформаций производились при помощи тензорезисторов.

Исследована величина деформаций разгрузки в зависимости от расстояния до распилов, их глубины и длины. Измерения производились в точке при увеличении длины распила с шагом 2 мм ('схема не-, подвижного репера).

Разработанный способ применен при исследовании разгружающего действия вертикальных трещин отрыва: Характер деформаций

разгрузки показывает, что смены знака приращения деформаций после нанесения распила не происходит. Это свидетельствует, во-первых, о невозможности объяснения смены знака приращения деформаций простым разрывом связей в породе при трещннообразовании, а во-вторых, о сжимающем характере напряжений, действующих в направлении, перпендикулярном направлению действия осевой нагрузки.

Разработан также способ создания в образце горных пород искусственных трещин, моделирующих распирающее действие отрывной трещины. Последняя в этом случае моделируется разрезом, наносимым тонким режущим инструментом (толщина 0,2 - 0,3 мм) в ненагру-женном образце.

Исследована величина деформаций, обусловленных движением берегов разреза в зависимости от его длины, глубины и расстояния до точки измерения. Разрезы проводились в ненагруженном образце по схемам, аналогичным созданию распилов. Установлено, что характер деформаций, обусловленных распирающим действием отрывных трещин, противопсложен характеру деформаций, обусловленному их разгружающим действием . .

. Возникновение вертикальной трещины отрыва в образце при одноосном сжатии связано с реализацией двух деформационных эффектов одновременно. Поэтому величина и знак результирующие приращений деформаций определяются соотношением деформаций разгрузки и деформация, определяемой распирающим действием трещин отрыва.

Воспроизведение деформаций, обусловленных зозникновением естественной вертикальной трсшшпл отрыва, произведено при нанесении тонким режущим инструментом (толщиной 0,3 мм) разрезов различной протяжеьчтсти в нагруженном образца (рас.З).

Iii ■ ■ -

Разрезы наносились после многократною циклического нагру-жения'образцов до напряжений 0,4стсж к достижения условий ст = const при длительном действии нагрузки.

Установлено, что вблизи искусственно созданных трещин происходит смена знака приращения продольных и поперечных деформаций.

Таким образом, прямой эксперимент но созданию искусственных трещин показывает, что аномальный характер деформирования образцов горных пород при одноосном сжатии объясняется развитием в них трещин отрыва.

Восприи ¡ведено также явление разнознакового приращения деформаций по высоте образца горной породы при сжатии. Трещины отрыва и этом случае моделируются разрезами, наносимыми в нагруженном образце, а" измерения проводятся в местах нанесения искусственных трещин зепзорезнсгорами по многоточечной схеме или методом неподвижного репера при нанесении разреза с шагом 2 мм.

Установлен закономерный характер формирования вокруг трещин Отрыва "отрицательной" и связанной с ней "положительной" деформационных аномалий, последняя из которых располагается впереди разреза. Увеличение длины разреза приводит к перераспределению деформационных аномалий.

Аналитические исследования проведены с представлением горных .пород средой, в которой реализованы сдвиговые микроразрушения, возникающие на структурных неоднородностях материала в результате действия больших перавнокомпонентных сжимающих напряжений.

Обоснован выбор модели сплошной среды с дефектами, разработанной В.П.Мясниковмм и ранее в механике горных пород не рассматривавшейся.

ст =согЫ

Ф01

б.

Рацк!!

1,5 0,75 0 0,75 1,5 £2Х104 Е|Х103

Рис.3. Схема эксперимента (а) и воспроизведение эффекта смены знака приращения деформации образцов горных пород при сжатии(б)

Массив вокруг выработок моделируется средой с источниками, характеризующими появление недиффеонорфных форм, к вводится обобщенный тензор деформации ^ , выражение для которого в предположении малости деформаций горных пород вокруг выработок ((] «1, I дVjJдxi\« 1, где »у -компоненты скорости деформации) имеет вид:

Л

: Су Ец.

(О

В среде со сдвиговыми микроразрушениями » общем случае не выполняется условие совместности деформаций

A> = '- (2)

dxjdxj дх2 d%2 dx¡ dx2

Обобщенный тензор- Альманзи и параметр дефектности R рассматриваются в качестве термодинамических Характеристик среды й наряду с энтропией входят в выражение для внутренней энергии. Применение методов неравновесной термодинамики позволяет записать соотношения, связывающие источники необратимых деформаций с потоком энтропии, н перейти к их вычислению.

Степень отличия кинематики дефектной среды от кинематики сплошной среды определяется параметром R: эти отличия максимальны в тех областях, где максимально значение \R\.t

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. Выбор задачи осуществлен автором.

Задача ставится как плоская и стационарная. В качестве упрощений принимаются условия несжимаемости (р - p¡, - const) и отсутствия касательных напряжений на бесконечности. Постановка задачи и фор-мулнрование граничных условий выполнены автором совместно с МА.Гузевьш, которому принадлежит решение задачи.

'Граничные условия задачи записываются следующим образом: ст, = Роо, стго= 0 при г да, ■ ' (3)

i не Ри-, = у-л Н,{ уп - объемный вес пород, Н - глубина заложения'

выработки); ' .

а, - Р0, (Т;£)=0 при г -- Tq,

(4)

где r0 - радиус выработки;

= 0 при г=г0, (5)

где № - плотность потока дефектов, й = (- cos <р,- sin ф) - вектор нормали к границе выработки.

Выражения для компонент тензора напряжении имеют следующий внд:

2 г Г"г

2 rl y «r VY

где С2 - 2I'„.

С3 = г2,{Г0- Рx-+—§—(aJ,(\fyr) + Y"

J,(\[yr), Y^ifyr.) - функции Бесселя первого и второго рода соответственно;

Y - параметр модели.

Коэффициенты , а и b рассчитываются из условии всестороннего сжатия в массиве и выполнения критерия отрывного разрушения породы при одном из значений г, соответствующих эксперименту. Распределение напряжений в массиве вокруг подземной выработки показано на рис.4.

Адекватность выбранной модели определена при сопоставлении результатов решения задачи с результатами лабораторных экспериментов ВНИМИ по установлению периодической локализации отрывного разрушения трещиноватых горных пород вокруг выработок в моделях из. эквивалентных материалов.

Численное исследование решения проведено при следующих значениях характеристик материала: Kic = 0,10 MHUWm, ас ~ 1 Мпа. В анализе применен критерий отрывного разрушения В.Н.Одинцева:

К, = (^'"(укЛ-у^з) О)

где/= 1,5x10 г м - полудлина трещины,

c°i = а о, с"з = ог - соответственно максимальные и минимальные

напряжения вокруг выработки, yi = 0,250, уз - 0,225 - эмпирические коэффициенты.

Закономерности изменения значений Кг вокруг выработок представлены на рис.4.

Установлено, что расстояние от центра сечения выработки до наиболее удаленной зоны отрывного разрушения существенно зависит от величины упН / стси может быть выражено зависимостью

г/го= 0,94 1п 4,18 (у„Н/ Сто), (8)"

где г« - радиус выработки,

г - расстояние от центра выработки до зоны разруЩения, Отличие результатов расчета от данных эксперимента не превышает 10 % (рис. 5). Модель описывает все основные результаты, полученные в лабораторном эксперименте: постоянство расстояния между зонами трещин в плоских моделях, увеличите необходимой для образования зон отрывных трещин нагрузки при наличии крепи и другие.

Разработан способ экспериментального воспроизведения в .породных моделях деформационных эффектов, обусловленных отрывным разрушением сильно сжатых горных пород вокруг подземных вы-, работок, в котором свойства материала модели определяются условиями создания искусственных трещин отрыва, а остальные требований к-

модели соответствуют теории подобия. Воспроизведение аномальных; эффектов деформирования массива при отрывном разрушении обеспечивается проведением разрезов в ненагруженной модели.

ток (а) и значения критерия разрушения отрывом при сжатии (б)

Экспериментально воспроизведен эффект периодической локализации отрывного разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок в моделях из выпиленных из массива блоках аргиллитов. Исследовались деформации массива между 1 и 2 зонами отрывного разрушения. Появление кольцевых грешил отрыва моделировалось нанесением разрезов с шагом 2 мм по окружностям, соответствующим^ положению зон отрывного разрушения.

1 ✓ "" "--- у. / / / / / / ✓ / Л / 2 * У

✓ ✓ / * / / / / / // / / г

1 2 з 4 у„Н/стс'

Рис.5. Зависимость расстояния от центра сечения выработки до наиболее удаленной зоны отрывного разрушения от величины отношения гравитационных напряжений к величине предела прочности пород на одноосное сжатие: 1 - эксперимент, 2- теория .

Установлено, что промежуточные зоны в модели сжаты, причем сжатие носит неравномерный характер. Максимальные деформации сжатия характерны для краевых участков зон, непосредственно контактирующих с зонами отрывного разрушения. Сравнение с характером распределения толщин дисков в сжатых зонах вокруг выработок, подвергшихся воздействию горного удара, показывает их качественное совпадение.

, Экспериментально воспроизведен также эффект возникновения процесса самопроизвольного знакопеременного приращения радиальных деформаций, фронт которого распространяется в массиве вокруг подземных выработок с определенной скоростью. Эффект воспроизведен при нанесении искусственных трещин в породной модели в радиальном направлении от контура выработки к границам модели с ша: .гом 2 мм. Показана идентичность деформирования пород в модели и в натурных экспериментах.

Разработан способ крепления, обеспечивающий безремонтное поддержание основных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения горных пород путем создания податливого слоя в массиве, в его граничащей с крепью части. Безремонтное поддержание крепи в течение всего срока службы выработки гарантирует толщина слоя, определяемая расчетом. Для создания податливого слоя вокруг постоянной крепи используется материал самих пород. Повышение податливости краевой части массива обеспечивается за счет формирования в нем полостей и заполнения этих полостей вспенивающимся полимерным материалом, обладающим большей по сравнению с породой податливостью.

Разработан способ поддержания выработок в условиях зонального деформирования и разрушения горных пород, учитывающий разрушения массива после формирования системы чередующихся разуплотненных и сжатых зон. Способ закгаочается в производстве избирательного упрочнения вмещающих пород, обеспечивающего надежную работу выработки в течение срока ее поддержания н отличается учетом времени начала упрочнения, определяемого максимальным раскрытием трещин в разуплотненных зонах. Продолжительность затвердевания .раствора не должна превышает время, необходимое для

предотвращения перехода породы в первой сжатой зоне к разрушению.

В процессе твердения состава формируется защитная оболочка. В процессе нагнетания давление поддерживают на уровне, достаточном для "залечивания" пустот и трещин. Таким образом, в массиве вокруг выработки формируется область, прочность пород на сжатие в которой выше исходной.

Способы применены при разработке технологии проведения горных выработок в сложных условиях по заказу П/О "Приморскуголь" и использованы на шахте им.Артема. Расчетный экономический эффект составил 80 ООО руб. в ценах 1990 года.

Разработаны рекомендации по повышению устойчивости очистных выработок в условиях зонального деформирования массива горных пород рудника им.Матросова.

Исследованы особенности проявлений горного давления в условиях месторождения. Проведены измерения деформаций междукамерных целвдерв и потолочин блоков в процессе ведения горных работ с применением системы с магазинированйем руды. Исследованы также деформации, вмещающих пород вокруг выработок, отрабатываемых системой подэтажных штреков.

Установлен зональный характер деформирования массив.а рпере-- ди очистного забоя. При остановке забоя в случае системы с магазини» рованием >1 после проведения массового взрыва в случае системы подэтажных штреков в массиве впереди забоя распространяется- фронт знакрпеременных приращений деформаций.

Скорость распространения фронта 1,5 - 2 и/сух для условий . блочного массива. В массиве, где мелкоблочная структура пород чередовалась со сплошной перемятой, фронт распространяется со средней

скоростью 4 м/сут., а в породах сплошной перемятой структуры скорость распространения фронта 8-10 м/сут.

При скоростях отбойки 22,5 м/мес и более фронт знакопеременных приращений деформаций не успевает распространиться в глубь массива: Разрушение пород впереди линии очистного забоя однократное. При скоростях отбойки 7,5 м/мес и менее разрушение массива впереди линии забоя происходит столько раз, сколько циклов подвигания имеет забой- При скоростях отбойки 7,5^ 1\>тб< 22,5 м/мес количество циклов разрушения массива впереди очистного забоя определяется расчетом и для скорости 7,5 м/мес равно трем.

Исследование запредельного деформирования пород месторождения показывает, что после трехкратного разрушения породы достигают уровеня остаточной прочности, где нх несущая-способность остается практически неизменной лрн дальнейшем разрушений. Это объясняет причины потери устойчивости обнажений при скоростях отбойки менее 7,5 м/мес.: породы впереди очистного забоя переходят на уровень остаточной прочности, что делает высоту обрушения зависимой только от уровня, напряжений, который на существующих глубинах разработки определяется главным образом размерами обнажения,

Результаты проведенных исследований внедрены в практику работы предприятия. Ожидаемый экономический эффект составил 75 ООО руб. в ценах 1982 года.

■ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация адппетел научно;! квалификационной работой, в которой разработаны теоретические положения об условиях и закономерностях аномального.деформиропання горных пород, совокупность которых можно квалифицировать как новсО крупное достижение и

развитии перспективного направления геомеханики - исследования закономерностей разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок в условиях больших глубин, что имеет важное значение для шахтного строительства.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Установлен механизм образования вокруг подземных выработок системы чередующихся разуплотненных и сжатых породных зон, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентно-го сжатия, имеющего следствием сдвиговое микроразрушение пород на структурных неоднородаостях среды, напряжения вокр>т выработок приобретают периодический характер, а на. локальных участках (зонах) действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений развиваются трещины отрыва, определяя сжатие промежуточных зон в нормальном к контуру разуплотненных зон направлении.

. Необходимым условием зонального деформирования и разрушения горных пород вокруг подземных выработок является переход мас-ста и состояние сдвиговой микронарушеипости на структурных неоднородное!;« среды. Достаточным условием, являете» достижение напряжениями в глубине массиве величин, удовлетворяющих критерии, ojpuiiHOH) разрушения.

2, Экспериментапьио устаносленр явление разнознакового приращения дефирмапнй но высоте образца горных пород при одноосном с;„анш, заключающееся в изменении знака прнращеиич продольных и поперечных деформаций образцов на участке развития трещины от рыка и одновременном приращении деформаций прежнего знака, существенно ( аномально) превышающем характерней для данной, породы уровень, на прилегающих по высоте образца участках.

Явление разнознакового приращения деформаций по высоте об-■ разца имеет место на образцах малопрочных весьма пористых пород и весьма прочных, но предварительно нарушенных пород при нагрузках 0;б - 0,8 <Тдл. В монолитных образцах весьма прочных пород явление регистрируется непосредственно перед разрушением образца.

3. Установлен механизм явления разнознакового лрирашения деформаций по высоте образца горных пород при одноосном сжатии, заключающийся в том, что распирающее усилие сдвиговых трещино-образующих дефектов приводит к смене знака приращения деформаций образца на участке развития трещины и аномальном прирашении деформаций прежнего знака на прилегающих по высоте образца участках.

4. Разработан способ создания искусственных трещин, моделирующих трещины отрыва, разливающиеся в образце горных пород при одноосном сжатии, заключающийся в нанесешш'вертикальных тонких разрезов в нагруженных образцах связных малопрочных пород и отличающийся воспроизведением разгрузочного и распирающего действия отрывных трещин.

Способ учитывает сложный характер деформирования горных пород в процессе отрывного разрушения При сжатии, обусловленный разгружающим и распирающим действиями отрывной трещины.

Разработан способ исследования разнознакового приращения деформаций Пр высоте образцов горлых.нород при одноосном сжатии, включающий индикаторный и тензорезисторцый способы измерения и отличающийся возможностью определения локальных деформаций в -любой части образца, как монолитного, так и предварительно нарушенных.

5. Установлен и экспериментально воспроизведен эффект перераспределения деформационных аномалий по высоте образца горных

город в условиях разиозиакового приращения деформаций горных пород при сжатии, заключающийся в том, что на участке отрицательного приращения деформации с увеличением нагрузки наблюдается их положительное приращение, а на прилегающем по высоте образца участке положительного приращения деформации одновременно с ростом нагрузки наблюдается их отрицательное прирашение.

6. Установлено, что пр.!) проведении выработок в условиях больших глубин по малопрочным аргиллитам и мощным угольным пластам с применен!::.'!.! огбонных молотков деформирование массива носит зональный характер. На контакте крепи с массивом формируется сжатая породная зона, за ней разуплотненная породная зона, далее вновь сжатая зона и т.д. в глубь массива. Ширина зон составляет I- 1,5 м. '

7. Установлен эффект возникновения процесса самопроизвольного. знакопеременного во времени приращения радиальных деформаций, происходящего в сформированной- системе чередующихся разуплотненных и сжатых породных зон массива вокруг подземных выработок. Процесс знакопеременных приращении деформаций начинается в первой от контура выработки сжатой породной зоне, а его фронт распространяется в глубь массива. Скорость движения -фронта составляет 0,7 - 1,1 м/сут (в среднем 1,04 х 10 3 .м/с) для услойий шахты им.Артема.

8. Установлено, что вокруг выработок, подвергшихся воздействию горного удара, разрушение носит зональный характер, при котором разуплотненные породные зоны чередуются со сжатыми породными зонами. Установлены закономерности изменения радиальной протяженности зон трещин и промежуточных сжатых зон, а также закономерности распределения толщины дисков по ширине сжатых зон,

объясняющиеся неравномерностью распределения напряжении по ширине зоны.

9. Выбрани и впервые применена в геомеханйке модель сплошной среды с дефектами, на основе которой поставлена и применена для анализа условий разрушения отрывом горных пород- вокруг подземных выработок задача механики о напряженном состоянии невесомой плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку.

Получена зависимость расстояния от центра сечения выработки до наиболее удаленной зоны отрывного разрушения от величины отношения гравитационных напряжений к величине предела прочности пород на одноосное сжатие, хорошо согласующаяся с данными лабораторных экспериментов (максимальные отклонения 10%).

10. В породных моделях с созданием искусственных трещин экспериментально воспроизведено зональное деформирование и разрушение горных пород вокруг подземных выработок и деформационные эффекты неравномерного с,казня промежуточных зон и знакопеременного приращения радиальных деформаций.

11. Разработаны способы крепления и поддержания горных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения массива, отличающиеся учетом эффекта знакопеременного приращения деформаций горных пород. Разработанные рекомендации использованы П/О "Приморскуголь" при проектировании проведения капитальных выработок в сложных условия;; шахты им.Артема. ' •

Зк.

Основное содержание диссертации опубликовано" в следующих работах: . ~ . >

1. Совершенствование и повышение долговечности строительного сы))ья Приморья / П.П.Ступаченко, В.В.Макаров, Н.В.Макарова,

B.Г.Цунрик и др. - Владивосток, ДВГТУ, 1995. - 96 с. (, Раздел "Об эффекте изменения знака деформации бетонных образцов при возникновении трещин отрыва") .

2. Макаров В.В. О зональном деформировании массива горных пород вокруг подвергшихся воздействию горного удара выработок // В сб.: "Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего Востока" / Труды ДВГТУ, вып. Ill, сер.4. - Владивосток, 1993, С.90-94 .

3. Макаров В.Б. О зональном деформировании горных пород вокруг одиночных капитальных выработок / Механика подюмн'ых сооружений.- Тула: ТПИ, 1995, С.92-96

4. Макаров В.В. Исследование эффекта зонального деформирования образцов горных пород при сжатии И В сб.: Демидовские чтения. Юбилейный выпуск.- Тула, 1996, С.94-98

5. Макаров В.В. Об экспериментальном определении параметров зональной деформационной структуры горных пород в массиве вокруг выработок и в образцах !! Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности".- Тула: ТулГУ, 1997, С. 287-291

6. Макаров В.В. О зональном деформировании массива горныд пород вокруг капитальных выработок II Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жншедеятелыюшш". - Тула: ТулГУ, 1997,

C.291-294

7. Макаров В.В. Об управлении устойчивостью обнажений очипныч выработок в условиях зонального'деформирования массива

горных пород// Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жиз-недеягелыюстии".- Тула: ТулГУ, 1997, С.294-298

8. Макарон В.В. О зональном деформировании горных пород в массиве вокруг выработок, подвергшихся воздействию горного удара // Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности".

- Тула: ТулГУ, 1997, С.298-300

9. Макаров В.В. О некоторых закономерностях зонального деформирования образцов горных пород // Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности". - Тула: ТулГУ, 1997, С.300-302

10. Макаров В.В. О терминологии в вопросах зонального деформирования горных пород в массиве вокруг выработок и в образцах // Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности '.

- Тула: ТулГУ, 1997, С.302-303

11. Макаров В.В О принципах разработки математической моде ли трещиноватых горных пород, имеющих периодический характер деформирования // Материалы Международной конференции "Проблемы созд. экол. чистых и ресурсосбереп технологий доб. пол. иск. и перераб. отходов горн, произв", - Тула:ТулГУ, 1997, С.94-95

12. Макаров В.В., Шумаков М.И. Об экспериментальном исследовании периодической деформационной структуры горных пор од л массиве вокруг подземных выработок и в образцах// Механика подземных сооружений.-Тула, ТулГУ, 1998, С.82-91

13. Макаров В.В., Горланова H.A., Звонарев М.И. О зональном деформировании массива горных пород вокруг горных выработок // Механика подземных сооружений. - Тула: ТПН, 1989, С.116-125

14. Макаров В.В., Емельянов Б,И., Звонарев М.И. Особенности формирования зон компрессии и дилатансии в массиве г орных пород

вокруг выработок // В сб.: "Вопросы разработки месторождении Дальнего Востока".-Владивосток: ДВП И, 1990, С.35-42

15. О зональном деформировании образцов горных пород /Макаров В.В., Агеев А.И., Гутник А.Н., Савитченко О.Б. // Механика подземных сооружении. - Тула: ТПИ, 1991, С.91-96

16. Макаров В.В., Горланова H.A., Макарова Н.В. Об одном эффекте взаимодействия трещин // Известия ТулГУ,серия "Экология и безопасность жизнедеятельности". - Тула: ТулГУ, 1997, С.303-305

17. Лушней В.П., Макаров В.В., Лаптев A.C." Тектонофизическая оценка напряжений для условий Натапки'нского месторождения и способы повышения устойчивости обнажений // "Колыма", № 3-4, 1982, С.18-21

18. Емельянов Б.И., Лушпей В.П., Макаров В.В. Механизм деформирования массива блочной структуры и управление устойчивостью обнажений очистных выработок в условиях рудника им.Матросова // Механика подземных сооружений. - Тула: ТПИ, 1982, С.139-144. ч _

19. Лушпей В.П., Макаров В.В. Некоторые особенности проявлений горного давления в условиях Наталкинского месторождения // В сб.: "Разработка рудных месторождений Севера". - Магадан, 1984, С.56-62

20. В.П.Мясников, М.А.Гузев, В.В.Макаров О периодическом характере деформирования трещиноватых горных пород II Материалы XI Российской конференции по механике горных пород, С.-Петербург, 9-11 сентября 1997 г., С.333-337

21. Карташов Ю.М., Макаров В.В., Николайчук H.A. Об эффекте изменения знака приращений деформаций образцов горных пород при одноосном сжатий // Материалы XI Российской конференции по механике горных пород, С.-Петербург,9-11 сентября 1997 г., С.191-192

22. Makarov V.V. and Bulychev N.S. Investigation of rock failure anomalous phenomena// Proc. 1st Int. Congr. of "Mesomechanic", Tel-Aviv, 1998, p.278

23. Звонарен М.И., Макаров В.В., Емельянов Б.И. Способ крепления подготовительных выработок, АС № 1513146, БИ № 37, 1989,33с.

24. Звонарев М.И., Макаров В.В., Емельянов Б.И. Способ поддержания горной выработки, АС № 1698563, БИ, № 46, 1991,86 с.

Подписано и печать ^. Форчат бумаги 60x84 1/16. Бумага пшсмрафская № I

Офсетная печать. Усл. неч. л. -О ^ . Усл. кр.-отг. Л, ^ . Уч. над. л. / ^ Тираж экз. Заказ ■К? . ■

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Редакцией ко- издательский центр Тульскою государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

Президиум ВАК России

(решение от " ¿оЛ 19 £&гм № ! присудил ученую степень ДОКТОРА.!

7-т-суееи-^_________________________

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

На правах рукописи

МАКАРОВ Владимир Владимирович

Специальности: 05.15.04 - "Строительство шахт и

подземных сооружений" 05.15.!! - "Физические процессы горного производства"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Н.С.Булычев

Тула - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. Краткий аналитический обзор и постановка задач исследований..........12

1Л. Экспериментальные исследования зонального разрушения горных пород

в массиве вокруг подземных выработок............................................................12

1.1.1. Натурные исследования...................................................................................12

1.1.2. Лабораторные исследования............................................................................18

1.2. Аномальные эффекты деформирования образцов горных пород и других материалов...........................................................................<.............«........¿.........21

1.2.1. Механизм отрывного разрушения горных пород при сжатии..........................21

1.2.2. Аномальные эффекты деформирования других материалов............................28

1.3. Теоретические исследования аномального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок......................................29

1.3.1. Математические модели деформирования горных пород в предельном состоянии.........................................................................................................29

1.3.2. Теоретические концк^Ции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок......................................................33

1.4. Терминология, применяемая для характеристики аномальных явлений деформирования и разрушения горных пород....................................................39

1.5. Постановка задач исследований.........................................................................40

ГЛАВА 2. Исследование закономерностей зонального деформирования и

разрушения массива горных пород вокруг одиночных выработок...........41

2.1. Исследование закономерностей зонального деформирования и разрушения массива горных пород вокруг капитальных выработок, пройденных в одно родных смалопрочных породах и мощному угольному пласту с применением отбойных молотков.............................................................................................41

2.1.1. Горно-геологические и горно-технические условия проведения

исследований..................................................................................................41

2.1.2. Методика проведения исследований...............................................................43

2.1.3. Результаты исследований................................................................................45

2.2. Исследование закономерностей зонального деформирования и разрушения

массива горных пород вокруг выработок, подвергшихся воздействию горного удара................................................................................о.................о...............55

2.2.1. Горно-геологические и горно-технические условия проведения исследований...................................................................................................55

2.2.2. Методика проведения исследований................................................................56

2.2.3. Результаты исследований............................................о.................................. 57

ГЛАВА 3. Исследование аномальных эффектов деформирования образцов горных

пород при одноосном сжатии....................................................................69

3.1. Гипотеза обусловленности аномального характера деформирования образцов горных пород при одноосном сжатии развитием трещин...................................69 .

3.1.1. Определение условий проявления аномального характера деформирования образцов горных пород при сжатии.................................................................69

3.1.2. Разработка способа исследования деформированного состояния образцов горных пород при одноосном сжатии в условиях естественного развития трещин отрыва.................................................................................................74

3.1.3. Результаты исследований................................................................................76

3.2. Установление явления разнознакового приращения деформаций по высоте образцов горных пород при одноосном сжатии..................................................81

3.2.1. Гипотеза разнознакового приращения деформаций по высоте образцов горных пород при одноосном сжатии...............................................................81

3.2.2. Разработка способа исследования разнознакового приращения деформаций по высоте образцов горных пород при одноосоном сжатии в условиях естественного развития трещин отрыва...........................................................82

3.2.3. Результаты исследований................................................................................84

Выводы......................................................................................................................91

ГЛАВА 4. Установление механизма разнознакового приращения деформаций

по высоте образцов горных пород при одноосном сжатии......................92

4.1. Разработка способа создания в образцах горных пород искусственных трещин, моделирующих свойства трещин отрыва..............................................92

4.1.1. Способ создания искусственных трещин, моделирующих разгружающее действие трещин отрыва.................................................................................92

4.1.2. Способ создания искусственных трещин, моделирующих распирающее действие трещин отрыва...............................................................................100

4.2. Экспериментальное воспроизведение явления разнознакового приращения деформаций по высоте образцов горных пород при

одноосном сжатии............................................................................................104

Выводы...................................................................................................................112

ГЛАВА 5. Механизм явления зонального деформирования и разрушения

массива горных пород вокруг подземных выработок...........................113

5.1. Аналитические исследования зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок......................................................................................113

5.1.1. Выбор математической модели горных пород, деформирующихся в условиях действия больших сжимающих напряжений..................................................113

5.1.2. Выбор, постановка и решение краевой задачи о невесомой плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку......................................................................................................119

5.1.3. Сравнение результатов экспериментальных и аналитических

исследований...............................................................................................123

5.2. Экспериментальное воспроизведение аномальных эффектов деформирования горных пород вокруг выработок в моделях......................................................128

5.2.1. Разработка способа экспериментального воспроизведения в породных моделях явления зонального деформирования и разрушения горных

пород вокруг подземных выработок...............................................................128

5.2.2. Результаты исследований...............................................................................130

Выводы....................................................................................................................133

ГЛАВА 6. Разработка технологических аспектов ведения горных работ в условиях зонального деформирования и разрушения горных пород.....................134

6.1. Способы крепления и поддержания горных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения горных пород...............................134

6.2. Разработка рекомендаций по повышению устойчивости обнажений выработок, отрабатываемых системой с магазинированием на крутопадающих рудных телах в условиях зонального деформирования и разрушения горных пород рудника им.Матросова......................................................................................142

6.2.1. Горно-геологические условия разработки месторождения.............................142

6.2.2. Классификация пород по нарушенное™........................................................143

6.2.3. Проблема потери устойчивости обнажений пород очистных выработок и вопросы проявления горного давления..........................................................151

6.2.4. Методика проведения исследований..............................................................155

6.2.5. Результата исследований проявления горного давления вокруг очистных выработок, и рекомендации по повышению устойчивости обнажений.........156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Справка об использовании результатов исследований...........196

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения результатов исследований...............................197

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт приемки-сдачи..................................................................199

ВВЕДЕНИЕ

Деформирование и разрушение горных пород на больших глубинах носит аномальный характер, известный в литературе как "зональная дезинтеграция". Зарегистрированное в 1992 в качестве открытия, явление зональной дезинтеграции до сих пор не нашло своего удовлетворительного объяснения. Имевшие место попытки установления механизма локализации разрушения горных пород в зонах, разработка математической модели явления, удовлетворительно описывающей все наблюдаемые в эксперименте эффекты, не привели к успеху.

Установленный в исследованиях отрывной характер трещин, выполняющих зоны, требует учета специфики этого вида разрушения, происходящего в условиях неравнокомпонентного всестороннего сжатия. Механизм отрыва при сжатии, интенсивно разрабатываемый в последние годы, предполагает возникновение усилий отрыва в результате распирающего действия трещинообразующих дефектов, представляющих собой микротрещины сдвига.

Поэтому применение классических моделей механики сплошной среды для описания поведения пород в этих условиях требует введения ряда допущений, способных исказить реальную картину. Необходимо применение моделей, учитывающих недиффеоморфную кинематику и существенно термодинамически неравновесный характер сплошной среды с дефектами.

Распирающее действие сдвиговых микродефектов вводится в расчетную схему отрывных трещин по большей части гипотетически, поскольку связанные с ним деформационные эффекты экспериментально не определялись. В этой связи представляет интерес исследование отрывного разрушения образцов горных пород. Известен ряд аномальных эффектов деформирования образцов при сжатии, среди которых смена знака приращения продольных и поперечных деформаций в

предразрушающей стадии нагружения. Механизм аномалии не установлен, а существующие гипотезы противоречивы.

Решение проблемы установления механизма зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок имеет важное значение для развития теоретической и экспериментальной горной геомеханики, для расчета крепи горных выработок, прогноза горных ударов, управления устойчивостью обнажений и разработки новых технологий проведения горных выработок в условиях больших глубин.

Изложенное определяет актуальность поставленной проблемы установления условий появления, механизма и закономерностей зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 97-05-64923, РФФИ-ГФЕН Китая № 96-05-00057с, Минобразования РФ (№ 35603 Гр/СПГ-10), а также хоздоговорных тем с предприятиями цветной металлургии и угольной промышленности, проведенных с участием автора в 1978-1994 г.г. (номера госрегистрации 77036161, 81026307).

Цель работы заключается в установлении условий возникновения, механизма и закономерностей явления зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок.

Основная идея работы заключается в экспериментальном воспроизведении аномальных эффектов деформирования и разрушения горных пород, применении методов механики сплошной среды с дефектами для анализа условий локализации отрывного разрушения пород в окрестности горных выработок.

Методы исследований включают лабораторные экспериментальные исследования деформирования и разрушения образцов горных пород, натурные экспериментальные исследования деформирования и разрушения массива горных по-

род вокруг подземных выработок, методы фотоупругости, аналитические методы механики сплошной среды с дефектами и механики разрушения.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- установлен механизм образования вокруг подземных выработок системы чередующихся разуплотненных и сжатых породных зон, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия горных пород и обусловленного этим развитием микросдвиговых разрушений на неоднородностях среды, напряжения в массиве приобретают периодический характер, а на локальных участках (зонах) действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений развиваются трещины отрыва, определяя сжатие промежуточных зон в нормальном к границе разуплотненных зон направлении;

- экспериментально установлено явление разнознакового приращения деформаций по высоте образца горных пород при одноосном сжатии, заключающееся в изменении знака приращения продольных и поперечных деформаций на участке развития трещины отрыва и одновременном приращении деформаций прежнего знака, существенно (аномально) превышающем характерный для данной породы уровень, на прилегающих по высоте образца участках, что обусловлено распирающим действием сдвиговых трещинообразующих дефектов;

- выбрана и впервые применена в геомеханике модель сплошной среды с дефектами, на основе которой поставлена (совместно с М.А.Гузевым) и применена для анализа условий разрушения отрывом горных пород вокруг подземных выработок задача механики о напряженном состоянии невесомой плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку; при численном анализе решения которой установлена зависимость расстояния от центра сечения выработки до

наиболее удаленной зоны отрывного разрушения от величины отношения гравитационных напряжений к величине предела прочности пород на одноосное сжатие, хорошо согласующаяся с данными лабораторных экспериментов (максимальные отклонения 10%).

Достоверность научных положений и выводов обеспечена: удовлетворительным согласованием измерений деформаций образцов различными методами (отклонение не превышало 7 %), полным удовлетворением граничных условий выбранного аналитического решения задачи механики, хорошим согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение не превышает 10 %), качественным совпадением результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований.

Научное значение работы заключается в установлении механизмов явлений аномального деформирования и разрушения горных пород в образцах при одноосном сжатии и в массиве вокруг подземных выработок; разработке способа создания искусственных трещин, моделирующих трещины отрыва, развивающиеся в образце горных пород при сжатии; установлении закономерностей зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок в условиях действия больших сжимающих напряжений; установлении закономерностей деформирования образцов горных пород при развитии трещин отрыва.

Практическое значение и реализация работы заключается в разработке способов крепления и поддержания подземных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения массива горных пород; разработке рекомендаций по повышению устойчивости обнажений очистных выработок, отрабатываемых системой с магазинированием в условиях зонально деформированного и разрушенного массива. Установленные в ходе экспериментальных и аналитических иссле-

дований закономерности дают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных горных выработок в условиях больших глубин, создают предпосылки повышения надежности прогноза горных ударов, а также управления устойчивостью очистных выработок при естественном поддержании кровли.

Результаты диссертационной работы использованы П/О "ГХриморскуголь" для разработки технологии проведения капитальных выработок в условиях шахты им.Артема, П/О "Северовостокзолото" для разработки технологии ведения работ в условиях рудника им.Матросова.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на IV Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород"(Новосибирск, 1982), II Всесоюзной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982), X Всесоюзном семинаре "Измерение напряжений в массиве горных пород"(Новосибирск, 1987), X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), XI Российской конференции по механике горных пород "Russia Rock" (Санкт-Петербург, 1997 ), Международной конференции "Экология и безопасность жизнедея