автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханические условия и механизм динамического разрушения горных пород удароопасных месторождений

РГ6

АКАДЕ^Ид НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

¿ У ИНСТИТУТ ФИЗИКИ и МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

На правах рукописи

ТАЖИБАЕВ КУШБАКАЛИ ТАЖИБАЕВИЧ

УДК 622.831.32

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД УДАРООПАСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.11 — Физические процессы горного производства

Авторе ферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Бишкек — 1993

Работа выполнена в Институте физики и механики горных пород Академии наук Кыргызской Республики.

Научный консультант — докт. техн. наук, академик АН Кыргызской Республики Айтматов Ильгиз Торокулович.

Официальные оппоненты:

докт. фпз.-математических наук, академик Академии естественных наук Узбекистана Быковцев Александр Сергеевич,

докт. техн. наук, профессор Влох Николай Петрович,

докт. техн. наук Степанов Владимир Яковлевич

Ведущая организация — Институт горного дела СО РАН (г. Новосибирск) .

и у час. на заседании Специализированного совета Д 009.09.01 при Институте физики и механики горных пород АН Кыргызской Республики по адресу: 720815, г. Бишкек, ул. Коммунистическая, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики и механики горных пород.

Автореферат разослан « 1993 г.

Ученый секретарь

Защита диссертации состоится «

1993 г

Специализированного совет докт. техн. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дкстальйость проблемы. Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности будет происходить при непрерывном увеличении глубины шахт и рудников, освоении новых труднодоступных месторождений в горных,сейсмоактивных регионах, что приведет к динамическим проявлениям горного давления в виде стреляний горных пород, горних ударов. Эти динамические явления в настоящее время практически не управляемы и наносят значительный материальный и моральный ущерб народному хозяйству. Для прогноза и в. коночном итоге предотвращения этих природных, в известной мере, техногенных явлений необходимо определить геомеханические условия и механизм динамического разрушения горных пород удароопасных месторождений.

В настоящее время имеется значительный опыт по предотвращению горных ударов на угольных шахтах, однако в целом для решения проблемы установления условий и механизма динамического разрушения горных пород требуется, комплексный учет механических свойств и напряженного состояния породного массива, проведение исследований динамического разрушения горних пород удароопасных участков, особенно . для слозкноструктурных рудных месторождений. Установленные,факты взрывоподобного динамического разрушения горных пород, регулярное образование большого количества пыли и щели у кровли в целиках, локальность горных ударов и их неоднозначная зависимость от глубины разработки, не могут быть объяснены на основе существующих представлений,т.е. на основе рассмотрения действия только гравитационных и охватывающих значительные площади тектонических сил.

Традиционные подходы не раскрывают закономерности и механизм динамических проявлений горного давления. В связи с этим проблема установления уоловий и механизма динамического разрушения горных пород удароопасных меотороадений предотавляетоя актуальной. ..

Цель работы - определение гэомеханических условий и установление механизма динамического разрушения горных пород для обеспечения безопасности ведения горных райот при разработка удароопасных месторождений.

Основная идея работы состоит в использовании явления скачкообразного освобождения остаточных напряжений в горных породах, знакопеременного изменения деформаций перед горными ударами и закономерности периодического изменения напряжений в участках удароопасных месторождений для установления условий и механизма динамического разрушения горных пород.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории упругости, современные методы экспериментального и численного исследования состоянш , процессов деформации и разрушения горных пород: метода тензометрии; ультразвукового прозвучи-вания, акустической эмиссии, рентгеноскопии, конечных-элементов. При исследованиях напряженно-деформированного состояния и процесса ^разрушения горных пород использовались ЭВМ, методы лабораторных и шахтных измерений.'

Научные положения, выносимые на защиту:

- структурная модель квазиизотропных горных пород, учитывающая полимодальность статистического распределения размеров, иерархическую разномасштабность элементов структуры и дискретную связанность породного массива, согласно которой каждый вышестоящий структурный элемент включает в.себе структурные элементы и нарушения оплошности всех нижестоящих уровней, позволяет анализировать особенности деформации и разрушения горных пород при различных видах напряженного состояния;

- периодический характер пространственного изменения остаточных напряжений первого рода в участках удароопасных рудных месторождений совпадает с характером изменения действующих в массиве напряжений, определяет локальность динамического разрушения горных пород;

- структурно-механическая модель неоднородной твердой среды позволяет анализировать.и качественно описывает изменение остаточных напряжений на разных масштабных уровнях: в кристаллической -решетке, внутри и на границах зерен;

- установленное явление скачкообразного оовобовдания остаточных напряжений, заключающееся в том, что при статическом нагруже-нии горной породы о остаточными напряжениями происходит скачкообразное и знакопеременное изменение деформаций, может быть использовано для определения механизма предавотшковых процессов тектонических горных ударов;

- мэтод оценки удароопасности участков месторождений, основанный на комплексном анализе количественных характеристик склонности пород к динамическому разрушению, механической неоднородности массива, условий деформирования и динамического разрушения горных пород, позволяет повысить эффективность профилактических работ по предупреждению динамических форм проявления горного давления;

~ механизм разрушения горних пород при тектоническом горном

ударе определяется как самоподдерживающееся динамическое разрушение части массива горных пород с предельными напряжениями,инициируемое от триггерыых (спусковых) сил и протекающее по принципу цепной реакции, когда образование каждой трещины приводит в дейот-вие остаточные напряжения, которые в свою очередь образуют новые трещины и процесс лавинообразного разрушения продлевается до установления нового равновесия.

Обоснованность и достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются и подтверждаются:

- использованием современных фундаментальных положений и методов механики деформируемых сред, физики твердого тела, закономерностей деформирования и разрушения горных пород;

- соответствием научных положений с экспериментальными результатами и данными натурных нгблюдений, особенностей,характеристик, условий динамического разрушения горных пород;

- воспроизводимостью выявленных особенностей деформирования и характеристик динамического разрушения горных пород;

- соответствием результатов модельных исследований с экспериментальными данными, в том числе с данными других исследователей;

- широкой проверкой и апробацией результатов исследований в других научных и производственных организациях горнодобывающей промышленности (акты о результатах контрольных опытов в других лабораториях, ГОСТы, рекомендации, руководство).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана структурная модель квазиизотропных горных пород, учитывающая полимодальность статиотичвокого распределения размеров, иерархическую разномасштабнооть элементов отруктуры и диск ретную связанность породного масоива, позволяющая анализировать особенности деформирования я разрушения горных пород при различных видах напряженного состояния;

- установлено явление скачкообразного освобождения остаточных напряжений, заключающееся в том, что при статическом ожатии горной породы с остаточными напряжениями происходит скачкообразное и знакопеременное изменение деформаций, обусловленное нарушением внешней нагрузкой относительного равновесия имеющихся остаточных, напряжений и их взаимодействием о напряжениями, образующимися от действия внешних сил;

- установлены периодический (волнообразный) характер пространственного изменения остаточных напряжений и согласованность периодического изменения действующих и остаточных напря-

жений по длине изглерительних скважин в участках удароопасных месторождений;

- разработана структурно-механическая модель неоднородной твердой среды, позволяющая анализировать, и качественно описывать изменении остаточных напряжений на разных масштабных уровнях при воздействии на минералы горних пород физических полей;

» - установлен механизм динамического разрушения горных пород, заключающийся в том, что самоподдерживающееся лавинообразное разрушение обеспечивается за счет проявления остаточных напряжений способных образовать новые трещины, позволяющий объяснить локальность, приуроченность горних ударов к зонам тектонических разломов и контактов машатических образований.

Научное значение работы заключается в установлении явления скачкообразного освобождения остаточных напряжений, разработке структурных моделей горных пород, в раскрытии основных причин и механизма тектонических горных ударов, что вносит вклад в развитие научного направления-геомэханика горноскладчатых областей.

Личный вклад автора состоит в обобщении данных по изучению факторов, условий и характеристик динамического проявления горного давления, в разработке структурной, структурно-механических моделей и методов определения механических характеристик горных пород; в выявлении закономерностей пространственного изменения механических свойств горных пород и напряжений; в установлении явления скачкообразного освобождения остаточных напряжений; в определении условий и механизма протекания тектонического торного удара; в проведении лабораторных и шахтных измерений напряжений и определении свойств горных пород.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработан метод определения прочности горных пород в условиях квазиоднородного напряженного состояния при одноосном сжатии;

- установлен критерий оценки условий механического взаимодействия вмещающих и рудосодержащих горных пород, определяющий условия и характер их разрушения;

- разработан метод определения характеристик динамического разрушения, позволяющий количественно оценить склонность горных пород к динамическому разрушению, классифицировать их по степени потенциальной удароопаснооти;

- разработан метод определения удароопаснооти участков месторождений по комплексу основных влияющих факторов;

- определены свойства и напряженное состояние участков массива, обоснованы рекомендации и руководство для безопасного и эффективного освоения удароопасных месторождений.

Реализация работы. Для точного определения характеристик механических свойств горных пород разработан метод,обеспечивающий квазиоднородное напряженное состояние при испытаниях на одноосное сжатие / 6 /, о участием автора дом массовых лабораторных определений прочностных характеристик разработан стандартный метод испытаний (ГОСТ 21153.2-84). .

Предложенные рекомендации использованы для определения оптимальных размеров конструктивных элементов системы разработки шток-верковой части Восточно-Коунрадского месторождения.

"Руководство по определению удароопасности участков массива горных пород ,(на примере Сары-Джазского месторождения)", а также обоснованные рекомендации приняты для практического использования Сары-Джазоким горно-обогатительным комбинатом. Общий экономический эффект по работе составляет 501,4 тыс.рублей (в ценах 1990г).

Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований обсуждались на научной сессии Бюро Отделения физико-техилчеоких, математических и горно-геологических наук АН Кыргыз-окой Республики (Бишкек,1992),IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе,1989), заседаниях Отдела и ученого совета БНИМИ (Ленинград, 1987), Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (Фрунзе,1987), УТ Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе,1979), заседаниях технических советов (П/0 "Балхашмедь",Сарн-Джазский ГОК).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 29 опубликованных печатных трудах, в том чиоле двух монографиях и трех изобретениях.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 344 страницах машинописного текста^ содержит 59 рисунка, 33 таблиц, список литературы из 311 наименований и приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность академику АН Кыргызской Республики докт.техн.наук И.Т.Айтматову - научному консультанту за оказанную помощь при выполнении работы, докт.техн.наук Ю.М.Кар-ташову за долголетнее сотруничество, советы и обсуждения результатов, а тагосе сотрудникам лаборатории фиэико-механичэоких свойств

горних пород ВНИМ11 (г.г.анкт-Петербург), лаборатории физико-меха-ничвоких свойств горных пород ИГД (г.Новосибирск), лаборатории Исследования физических процессов в горных породах М1И (г.Москва) и лаборатории экспериментальных методов исследования разрушения горных пород АН Кыргызской Республики за сотрудничество и помощь при проведении экспериментальных исследований.

V *

ОСНОВНОЙ СОДЕИШШ РАБОТЫ

I. Анализ геомеханических условий и характеристик динамического проявления горного давления

Решение проблемы прогноза и предотвращения динамических проявлений горного давления при разработка месторождений связано с оценкой удароопасности участков породного массива. Анализ геоме-ханичеоких условий и характеристик динамического проявления горного давления показал, что определяющими факторами удароопасности являются механические свойства (прочность, упругость, склонность к динамическому разрушению) горных пород, напряженное состояние й структурные неоднородности массива. Результаты исследований показывают, что приуроченность горных ударов к зонам тектонических разломов, контактов машатических горных пород обусловлена концентрацией, неоднородным распределением напряжений в указанных зонах, в зонах границ структурных блоков. При решении инженерных задач геомеханики породный массив в ряде случаев рассматривается как сплошная или как сыпучая среда, хотя в реальности массив представляет собой единство непрерывности и дискретности,т.а. дискретна овязанную блочную среду. Необходимость изучения,а также учета структурного фактора и неоднородности массива при решении задач геомеханики в свое время были обоснованы в трудах М.И.Агошкова, И.Т.Айтматова, Г.Н.Кузнецова, Н.В.Мельникова, Ю.А.Онищенко,Г.П. Покровского,Л.К.Патокина,М.В.Рац, 1,1.А.Садовского,Г.Л.Фисенко и др.

Существенный вклад в разработку методов и средств исследований механических свойств, в изучение напряженного состояния породного массива и процессов динамического проявления горного давления внесли: П.Г.Авершин, И.Т.Айтматов, С.А.Батугин, В.И.Борщ-Компаниец, Д.Н.Бронников, Н.И.Влох, В.Т.Глушко. П.В.Егоров, Ю.М.Карташов/ КЛ.Ко^огулов, Г.Н.Кузнецов, П.II.Кузнецов, М.В.Курленя, Ш.А.Мамбэ-

'тов, В.А.Мансуров, Г.А.Марков, И.М.Петухов, Н.М.Проскуряков, В.Р.Рахимов, В.В.Ржевский, А.Н.Сгаврогин, Н.Я.Степанов, И.А.Турчанинов, Ю.ИЛабдарова, В.С.Ямщиков, Н.Г.Ялимов, Б.Бройди, К.Моги, Л.Мюллер, Н.Хаот и др.

Исследования состояния,механического поведения массива аналитическими и численными методами получили свое развитие в трудах Э.К.Абдылдаева, М.Т.Алимжанова, Б.З.Амусина, Н.В.Баклашо-ва, Н.С.Булычёва, А.С.Быковцева, Ю.А.Векслор, Ж.С.Ержанова, Л.В. Ершова, А.М.Линькова, В.Е.Миренкова, А.Г.Протосепя, А.Ф.Ревужэнко, К.В.Руппенейта, А.Б.Фадеева, Е.И-. Шемякина и др.

В результате исследований удароопасности и"динамических форм проявления горного давления, проведенных большой группой ученых под руководством С.Г.Авершина и И.М.Петухова, были разработаны меры по предотвращению горных ударов, что значительно снизило ущерб от динамических разрушений в угольных шахтах. Накопленный научно-технический опыт прогноза, профилактики и предотвращения динамических проявлений горного давления в угольных шахтах совершенствовался при разработке рудных и нерудных удароопаоных месторождений. Однако несмотря на достигнутые в данном направлении результаты, вследствии многофакторности, большого разнообразля условий, масштабов и особенностей динашческих проявлений горного давления в сложноетруктурных, особенно в рудных месторождениях, в настоящее время нет единой научной методологии исследования л теории горных ударов, не выяснены их природа и механизм. Факторы, условия и характеристики динамических проявлений горного давления в основном изучены разрозненно, зачастую без комплексного анализа их степени взаимного влияния. Один из главных факторов динамического разрушения горных пород - остаточное напряжение-изучен крайне недостаточно. На рис. I представлена предложенная оиотема основных факторов и характеристик горного удара.

В работе с целью определения геомэханичеоких уоловий п установления механизма динамического разрушения горных пород для обеспечения безопасности ведения горных работ при разработке удароопасных месторождений решались следующие задачи:

- оценка влияния структуры горных пород на их деформацию я разрушение, разработка структурной модели;

- оценка пространственной изменчивости механических сгойств горных пород и напряжений участков удароопасных месторождений;

факторы

природные

г

напряженность

триггера сила

остаточн.

гравит.

твктонич.

X

структура

твктонич. нарушение

слоистость

Сложность

трвщинов.

вешист.

свожства

X

порядок отраооткк

прочность

упругость

влажность

склонность к дин.разруш.

геометрия отраооткк

X

расст.от разлома до обнажения

глуо.разр.

шющ.оонах

характеристики

техногенные

прогностические

дефо^эмацион-

смена знака деформации

скачки деформации

замедление деформации

скорость отработки

способ отработки I

Суроварыв.

комбайнов.

динамического разрушения

волновые

толчки, форшоки

смена знака эл.магн.имп и скачки акуст.имп

Ря0.1. о'иствна основных факторов и характеристик динамического проявления горного дямаяи

- оценка влияния остаточных напряжений на деформацию и разрушение горных пород;

- определение напряженно-деформированного состояния и характеристик динамического разрушения элемента механически неоднородной системы;

- разработка методов определения показателей удароопасности и установление механизма динамического разрушения горных пород.

2. Влияние структуры горних пород на их деформацию и разрушение. Разработка структурной модели.

Известно, что структура горных пород предопределяет их механическое поведение под нагрузкой. Как показано М.А.Садовским, дискретность и блочное строение породного массива определяют дискретность деформаций и разрушений пород, иерархическому ряду размеров структурных элементов соответствует аналогичный ряд дискретных движений, так как во многих случаях процессы деформации и разрушения локализуются на границах блоков. Сила и периодичность сейсмических событий (динамических разрушений пород) связаны о размерами блоков, т.е. блочное строение определяет динамику и кинетику процесса разрушения. Прямыми измерениями и сейсмоакустическим зондированием установлено, что совокупность блоков (структурных элементов) земной коры описывается полимодалышя статистическим-распределением их размеров, показано наличие набора "преимущественных размеров", которым соответствуют выделенные максимумы (модальные значения), что размеры структурных элементов массива (от микро до макроуровня) выстраиваются в определенный иерархический ряд.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что в отличие от технических твердых материалов горные породы деформируются и разрушаются обнаруживая ряд особенностей. Эти особенности главным образом обусловлены структурной неоднородностью горных пород.

Признавая обусловленность механического поведения материала его структурой, горную породу при изучении процессов ее деформирования и разрушения во многих случаях можно рассматривать как конструкцию, состоящую из определенно расположенных и связанных по локальным участкам структурных элементов, где.приложенная извне нагрузка распределяется согласно строению этой внутренней конструкции / 5 /.

я

. Для объяснения экспериментальных данных механического поведения горних пород, качественного анализа особенностей их деформации и разрушения.для различных масштабов и напряженных состояний нами предложена структурная модель квазиизотропных горных пород. На рис. 2 изображена схема структурных уровней, согласно которой каждый вышестоящий ( по масштабу ) уровень включает вле-"манты структуры и нарушения сплошности всех нижестоящих уровней, т.е., как это видно из схемы, плита сложена из блоков, блоки в свою очерадь состоят из зерен, зерна - из кристаллических отдель-ностей и, наконец, кристаллические отдельности - из атомов или молекул.

Средний размер (диаметр) структурных элементов (зерна, блока, плиты) модели в каждом конкретном случав может быть определен исходя из статистических данных прямых или геофизических измерений, а именно по модальным (преимущественным) значениям статистического распределения размера зерна, блока и т.д., т.е. предлагаемая модель имеет статистическую основу, учитывает полимодальность распределения размеров структурных элементов породного массива.

При анализе предложенной схемы уровней структуры нетрудно проследить принцип последовательного разуплотнения твердого вещества (чем выше масштабный уровень структуры, тем крупнее и больше ее дефекты, стало быть тем меньше плотность конечной структурной единицы).

В предложенной модели принята гексоганальная плотнейшая упаковка ( рис. 2 ) зерен ( структурных элементов ) с координационным числом 12, зерно аппроксимировано шаром диаметром с^ , граница зерна - цилиндром, диаметр которого , а 1 - мевду-зерновое расстояние.

Рассматривая типовые случаи нагружения, а именно одноосное сжатие и растяжение единичного узла, допуская, что показатели прочности для этих случаев относятся как площади разрушения, для определения параметра границы зерна структурной модели ( В, ) выведана следующая формула:

Рио.2. Элементы структурной модели квазиизотропных горных пород:

а - реальная структура; б - модель структуры; в - схема уровней структуры; г - единичный узел модели для Токто-гульского мрамора (х200); д - единичный узел структурной модели.

I - плита; 2 - блок; 3 - зерно; 4 - кристаллическая отдельность.

I

где р , <эс>к - показатель прочности при одноосном растяжении и сжатии соответственно.

Рис.З. Симы распределения сил в модели при различных напряженных состояниях.

а - одноосное сжатие; б - одноосное растяжаниа; в - трехосное сжатие; г - сдвиг единичного узла модели. I - поверхность разрушения; 2 - граница зерна; 3 - зерно; 4 - кристаллическая отдельность.

Из модели следует, что граница зерна также рыхлая, так как она составлена из кристаллических отдельностей и их границ. В данном случав не вся площадь границы зерна передает нагрузку, т.е.

§зрср ^ 6 /

где бЗфф - приведенный эффективный диаметр границы зерна. Полагая, что нагрузку передает эффективная бездефектная площадь границы зерна, иглея в виду, что расхождения значений теоретической прочности <эг с реальной прочностью 6Р есть результат ошибки в определении реальных разрушающих напряжений из-за незнания истинной эффективной ' площади поперечного сечения, передающей нагрузку

е>

при отрыве, т.о. полагая, что

<ор ; 6Т - ^

5

где Р - разрывающая нагрузка; 5 _ площадь поперечного оечения образца; эффективная (бездефектная) площадь поперечного

оечения образца, посла преобразований, с учетом количества границ зерен в поперечном сечении, получим следующую формулу:

(для краткости выводы формул I и 2 не приводятся, ввиду незначительности влияния на конечный результат в формулах 1 и 2 параметр а г не учитывается).

Оценивая эффективную площадь через параметр $зфф

можно определить реальную прочность отрыва горных пород для различных масштабов. Экспериментальное определение параметра б^^ возможно при измерениях эмиссии электронов из вновь образованных поверхностей разрушения горных пород.

Следует оплатить, что масштабный "эффект" (выражающейся в уменьшении прочности материалов при увеличении площади поперечного сечения), согласно структурной модели, наиболее существенно проявится при одноосном растяжении, менее существенно - при одноосном сжатии, наименее существенно - при трехосном сжатии, так как по модели при одноосном растяжении, разрушение происходит в основном в границах зерна в виде отрыва, при одноосном сжатии - преицущэст-^п-но в границах зерна, но в виде комбинации отрыва и сдвига, а при трехосном сжатии - преимущественно внутри зерна в виде сдвига (рис.3), т.е. разность между геометрической площадью поперечного сечения и эффективной площадью поперечного сечения образцов ражи размеров при одноосном растяжении значительно больше, чем при трехосном сжатии. Данные положения согласуются с известнгаш результатами экспериментальных исследований масштабного "эффекта" при еднссс-ном растяжении, при одноосном и трехосном сжатии. Действительно» как показывают экспериментальные результаты,' масштабный "эффект" наиболее существенно проявляется при одноосном растяжении и дочгя не проявляется при трехосном сжатии.

На рис. 3 показана схема распределения сил в структурной моде-

ли при разных напряженных состояниях, в случае одноосного сжатия, когда силы трения на контакте препятствуют поперечному расширению в приторцевой части образца, в первую очередь деформируются поверхностные зерна в средней части, вызывая интенсивные поперечные деформации последующих соседних зерен и их границ, что приводит к образованию магистральных трещин, ориентированных ,под углом к направлению сжатия. При этом разрушение происходит' как в границах, так и внутри отдельных зерен в результате комбинации элементарных (единичных) отрывов и сдвигов.

Согласно модели, при одноосном растяжении из-за концентраций напряжений в основном разрываются границы зерен. Поверхность разрушения образца при этом ориентирована перпендикулярно к направлению растяжения. Рельеф поверхности разрушения не ровный.

Более хрупкий характер разрушения горных пород при отрыве, согласно модели, - это результат лавинного слияния отрывов границ зерен, так как разрыв отдельных границ зерен еще в оольшей степени усугубляет концентрацию напряжения, его локализацию.

Экспериментально установлено, что прочность горных пород при трехосном сжатии возрастает с повышением соковых напряжений. Это объясняется увеличением числа микроразрнвов и микросдвигов, происходящих на более тонком уровне структуры, т.е. внутри кристаллических отдельностей, где нарушенность сплошности незначительна.

Хрупкость горных пород, как это видно из структурной модели, . обусловлена размерами структурных элементов и их границами, где приложенная извне нагрузка локализуется вызывая значительную концентрацию напряжений.

Согласно модели, на границах более крупных структурных элементов - блоков, плит - напряжения концентрируются еще в большей степени, так как чем выше (по размеру) структурный уровень, • тем меньше плотность крупных структурных элементов. Следует отметить, что при заполнении (залечивании) границ крутых структурных элементов высокотемпературными магматическими или гидротермальными образованиями в этих зонах формируются значительные остаточные напряжения, которые при нарушении равновесия в процессе отработки полезных ископаемых могут привести к динамическому разрушению горных пород. Высокий уровень напряжений на границах структурных элементов обуславливает удароопасность этих зон. Поэтому для оценки и контроля удароопасностп участков месторождений, на начальных этапах их освоения, с учетом геологических данных и

статистических характеристик элементов структуры массива, целесообразно разработать региональную структурную модель шахтного поля. От структуры породного массива в значительной мере зависят такие главные показатели удароопасности, как механические свойства ( упругость, склонность к динамическому разрушению) и напряженное состояние горных пород.

3. Определение механических свойств горных пород и напряжений участков удароопасных рудных месторождений

Как известно, в зависимости от уровня требуемой точности для определения характеристик механических свойств горных пород применяются упрощенные, стандартные или точные методы. Первые методы применяются при проектировании рудников и шахт, при решении инженерных задач, последние - в случаях, когда необходимы более детальные сведения, сопоставимые и точные значения характеристик, например, для оценки точности упрощенных и стандартных методов, уточнения и разработки теоретических положений геомеханики. Для обеспечения точности и сопоставимости конечных результатов наш разработан метод испытания цилиндрических образцов горных пород на одноосное сжатио / 4 /, заключающийся в том, что путем приложения осевой нагрузки через прокладки, выполненные из материала образца, и регулировки их поперечной деформацией поперечно сжимающим устройством обеспечивается однородность деформирования образца, исключается влияние сил трения торцевых поверхностей на конечные результаты. При участии автора разработан также стандартный метод определения показателей прочности горных пород при одноосном сжатии (ГОСТ 2II53.2-84) / 3 /.

Исследование закономерностей пространственного изменения механических свойств горных пород и напряжений составляет одну нз сложных проблем геомеханики. Результаты исследования изменчивости физико-механических свойств горных пород с глубиной на рудных месторождениях Ингичке (до глубины 800 м), Восточный Коунрад (220 ы) и Чон-Кой (1400 м)показали, что закономерность изменения свойотз в зависимости от типа горных пород разная. Например, по местороя-

данию Ингичке для мраморизованных известняков нами установлено увеличение, а для гранитов - уменьшение прочности с возрастанием глубины. Но месторождению Чон-Кой с глубиной увеличиваются показатели прочности диабазов, известняков и серпентинитов, а для листвинитов на глубина от 90 до 400 м прочность значительно уменьшается. Анализ результатов исследований, выполненных в данном *направлении, показал, что в пределах верхней части земной коры закономерное увеличение плотности, деформационных и прочностных характеристик горных пород с ростом глубины возможно в пределах ооадочного слоя (чехла) и только в равнинах платформ, а в геосинклинальных, орогенных структурах указанная закономерность осложнена прорывами гидротермальных и матаатических образований, интенсивными движениями массива в разные геологические периоды, т.е. закономерность в этих зонах нарушена и обусловлена более сложными термодинамическими условиями развития структуры земной коры. Поэтому закономерное изменение свойств горных пород с глубиной в указанных подвижных горноскладчатых поясах возможно только в конкретных и небольших по масштабам участках. Данное положение подтверждается результатами многих исследователей. Например, для шахт Донбасса с увеличением глубины предел прочности на одноосное сжатие и плотнооть.пород увеличиваются (И,.Л.Давидович, В.Т.Глушко). Аналогичное изменение оплачено для Печорского. (Л.М.Гусельников), Чурбай-Нуринокого (В.П.Трофимов), Нерюнгринского (А.М.Кабанов , С.П.Кононец) угольных месторождений. Для песчаников, алевролитов и аргиллитов Кузнецского баоовйна на глубинах от 7 до 700 м выделены три типа изменения прочностных характеристик: интенсивного уплотнения и упрочнения горных пород, замедленного упрочнения и неизменной прочности (Г.Г.Штумпф). Для бокситовых месторождений Северного Урала (как и в указанных выше рудных месторождениях) каких-либо четких зависимостей физико-механических свойств горных пород от глубины их залегания не прослежено (Б.И.Суворов, О.Г.Латышев).

Для рудных, в частнооти удароопаоных, месторождений в более шлких масштабах (первые десятки метра) установлен периодический (оинуооидальный) характер изменения как характеристик механических овойотв, так и действующих в массива напряжений (И.Т.Айтматов).

Результаты измерений действующих в массиве напряжений (метод разгрузки), выполненных нами на грех горизонтах рудника ЕооточныС Коунрад,пока залп периодическое изменение главных напря-

жений по глубина как горизонтальных, так и вертикальных скважин.' В пределах измерительных скважин (6+8 м) часто изменяются знаки главных напряжений, т.е. сжимающие напряжения переходят в растягивающие. Длина волн изменения напряжений в среднем составляет 1,2 * 2 м. Результаты исследований изменения физико-механических свойств горных пород в пространстве показали, что граниты Восточ-но-Коунрадского и Сары-Джазского месторождения по физическим характеристикам и вещественному составу квазиоднородны, тогда как по механическим характеристикам наблюдаются значительные вариации показателей (коэффициент вариации прочности при одноосном сжатии достигает до 40 * 50$ при числе опытов равным 5). Было установлено, что высокие значения коэффициента вариации прочности при одноосном сжатии (40 + 50$) по месторождениям соответствуют участкам, где значительны остаточные напряжения, а низкие значения (15-30$) - участкам, где незначительны или нет остаточных напряжений. Результаты измерений показали, что периодические изменения главных действующих в массиве напряжений, рассматриваемые на незначительных расстояниях, также обусловлены наличием неоднородных остаточных напряжений.

4. Исследование остаточных напряжений и их влияния на деформацию и разрушение горных пород

Рассматривая остаточные напряжения как фактор геомеханической неоднородности, влияющий на характер разрушения горных пород, необходимо отметить, что они сами по себе не могут вызвать динаш-ческое разрушение (хотя их уровень в определенных участках достигает значительных величин), так как в нетронутых зонах массива уравновешены. Остаточные напряжения проявляются только в условиях нарушения их равновесия: в частности, при образовании новой поверхности, например при проходке выработок и очистных забоев, трещкно-образованин; в случаях изменения напряженного состояния внешними силами (импульсы взрывов, приливные я др. силы).

Остаточные напряжения при развитии трещин в массиве обуславливают лавинообразный характер дальнейшего протекания разрушения, так как образование новых поверхностей внутри структурных блоков (элементов) в этом случав Еазнвает дополнительные г ti.-, .-ленные деформации разгрузки от остаточных напряжений, т.е. разрушение могят стать самоподдергсивотпщм, взрнвоподобным.

Как показали результаты измерений, выполненных методом полной разгрузки, оотаточные напряжения на участках удароопаоных месторождений обуславливают неоднородность напряженного состояния массива.

По результатам измерения напряжений ряда месторождений многие исследователи (И.Т.Айтматов, В.Ф.Лавриненко,И.Н.Протопов и др.) отмечают зональность и периодичность изменения действующих в массиве напряжений.

Результаты измерения напряжений на Воеточно-Коунрадоком месторождении подтвердили характерность периодического изменения напряжений в пространстве (рио.4 а, 5а). Нами била установлена зависимость периодического изменения действующих напряжений от периодического изменения остаточных напряжений. В кернах, отобранных из участков (точек) замера напряжений в масоиве, измерялись остаточные напряжения (первого рода) методом, аналогичным применяемому при измерении действующих в масоиве напряжений. Анализ результатов измерения напряжений показал, что характеры изменения напряжений в масоиве и остаточных напряжений в кернах подобны (рио.4а,б и 5а,б). Можно констатировать, что эти напряжения в пространства изменяются согласованно-экстремальные значения напряжений, измеренные в массиве, соответствуют экстремальным значениям остаточных напряжений рассматриваемых участков. Установлено, что душна волн изменения остаточных напряжений первого рода близко соответствует размерам (удвоенный средний размер) структурных блоков горных пород и составляет 1,2 + 2 м.

Известно, что средний уровень остаточных напряжений в более тонких структурных элементах (кристаллическая решетка, кристаллическая отдельность, зерно) выше, чем в крупных элементах. Остаточные напряжения и их изменения от тэрмичэского воздействия в тон-. ' ' ких отруктурных элементах нами исследовались методом рентгено- . ■ структурного анализа. Для оценки изменения остаточных напряжений на разных отруктурных уровнях горных пород при воздействии на них физическими полями нами (совместно о Р.м.Султаналиевой) разработана отрукгурно-механичаская модель (рис.6).

Для проварки правомерности предложенной модели было проведено сравнение акояаримантальных значений остаточных напряжений с воеможяыми их изменениями' (на разных отруктурных уровнях) в подали дчя минералов п'асти разновидностей горних пород. Проверка моде-ля по данным Т.К.^жорцкшюа показала «оотьототаие изменений нап-

1Ь

б

Рис.4. Зависимости напряжений от глубины скважины: а - глазных действующих в массиве напряжений; б - главных остаточных напряжений (рудник Восточный Коунрад, ш.6,г.150,кверш.2, блок 2, верт.скв..граниты)

ё>, МПа

30 ..

20 _ ю _

I -20 .

-30 _

б

Рио.5. Зависимости напряжений от глубины скважины: а - главных действующих в массиве напряжений; б - главных остаточных напряжений (рудник Восточный Коунрад,ш.6,гор.220,кверш.1, жила 58, гориа.окв., граниты)

ряжений в модели о данными рентгеноскопии. Например, исходное состояние магнетита в модели соответствует цепочке Б , где уъ; личение сжимающих напряжений в кристаллической решетка приведет увеличению растягивающих напряжений на границе кристаллической отдельности (блока мозаики) и на границе зерна. Как показали г-,к. периментальные результаты,при увеличении сжимающих напряжений ш.. таллической решетки магнетита от СБ I облучения (50с) растягиваю щие напряжения на границе кристаллической отдельности и на граня це зерна увеличивались. Результаты проверки модели, проведенной по данным рентгеноскопии на исходных и термообработанных минералах трах разновидностей горных пород, также показали соответствие согласованных изменений напряжений в элементах модели с измеренными значениями.

Результаты исследований механического поведения горных порол показали, что при нарушении равновесия остаточных напряжений статическим сжатием последние проявляются в виде аномальной деформации, обуславливая скачкообразность и знакопеременность продольной и поперечной деформации участка образца. Например, испытание на одноосное сжатие образца мелкозернистого гранита Восточно-Коунраи ского месторождения, имеющего сжимающие остаточные напряжения порядка 30 МПа, показало необычный результат, выражающийся в продольном расширении средней части образца в условиях продольного одноосного сжатия задолго до разрушающей нагрузки, т.е. в знакопеременном изменении продольной деформации. Дальнейшие исследования на 14 разновидностях горных пород (в том числе на 7 термически обработанных) подтвердили неслучайность и обусловленность данного явления остаточными напряжениями, выявили многообразие проявления остато шнх напряжений в деформации при одноосном и трехосном сжатии / 18 /. Воспроизводимость опытов по характеру аномальной деформации оказалась возможной для образцов с остаточными напряжениями, образующимися вследствии термической обработки в лабораторных условиях.

Таким образом, при испытаниях образцов, имеющих (сопоставимые с пределом упругости пород) остаточные напряжения установлено явление скачкообразного освобождения остаточных напряжений /8,18 /, заключающееся в том, что при статическом сжатии горной породы с остаточными напряжениями наряду с плавным продольным сжатием и поперечным расширением происходит скачкообразное и знакопеременное изменение деформаций, обусловленное нарушением внешней нагрузкой

Гчс.б. Структурно-механическая модель напряженно-деформированного состояния неоднородной твердой среды, I - атом; 2 - межатомный упругий элемент; 3 - ячейка кристаллической решетки; 4 - кристаллическая отдельность (блок мозаики); 5 -зерно; 6 - блок 2-го уровня; 7 - вязкий элемент; В - пластический элемент; 9 - неустойчивый элемент (частица на поверхности раздела); 10,11 - упругие элементы границы зерна и кристаллической отдельности; 12 - окружающий структурный элемент; А,Д - сжатая и растянутая цепочка частиц неустойчивого равновесия 2-го порядка; Б,Г - неоднородно"деформированные. цепочки частиц неустойчивого равновесия 1-го порядка; В - цепочка (нейтральная) частиц устойчивого равновесия; 101, 10г, и Ъ/Л/г—^з - геометрические параметры нейтральной и деформированных цепочек частиц.

равновесия имеющихся остаточных напряжений и их взаимодействием о напряжениями, образующимися от действия внешних сил. Нравомер-

нооть установленного явления была подтверждена также контрольными испытаниями образцов, проведенными о участием экспертов в лаборатории экспериментальных методов исследования разрушения горных пород ИФиМГП (г.Бишкек), в лаборатории физико-механических свойс -горных пород ВНИМИ (г.Санкт-Петербург), в лаборатории физико-механических свойств горных пород ИГД (г.Новосибирск).

Результатами многочисленных инструментальных исследований доказано (С.Г.Авершин, Б.В.Шрепп, В.А.Квочкин, В.И.Бояряян, Е.Ф. Саверенокий, Т.Рикитаки, А.Аоада, К.Исибаси, Т.Матсуда и др.), что перед горными ударами, а также и звшгатрясениями происходит скачкообразное и знакопеременное изменение деформации массива горных пород. Нами показана целесообразность использования установленного явления скачкообразного освобождения оотаточных напряжений для прогноза горных ударов и землетрясений / 18 /.

5. Исследование напряженно-деформированного состояния и характеристик разрушения элемента механически неоднородной модельной системы

Известно, что от механической неоднородности породного массива и контактных условий передачи нагрузок зависит напряженное соотояние, а в конечном итоге удароопаснооть, характер разрушения горных пород. Для определения влияния механической неоднородности горных пород на их характеристики разрушения и моделирования горнотехнических условий совместного деформирования вмещающих и рудосодержащих пород удароопасного Сары-Джазского месторождения рассматривались различные контактные условия передачи нагрузок, т.е. разные сочетания в расположении пород о разными механическими свойствами в кровле и почве, а также в целике или в забое.

Методом конечных элементов, о использованием геомеханичаских моделей породного массива (оовместно о Э.К.Абдылдаевым, к.Ж. Усв-новым), с учетом условий Сары-Джазского месторождения, решалась задача определения деформаций и напряжений в неоднородной модельной системе, состоящей на разных горных пород, предотавллющих собой почву, кровлю и столбчатый целик. Рассматривалось три случая одноосного сжатия системы: Ег<1г; ; где Е/,Ег

модуль упругости рудосодарнащей и вмещающей горной породы соответственно. В модельной системе рассматривалось главным образец вла-яние соотношения оис.логв упругости элементов •¡иошин на налрАГл-

но-деформированное состояние (н.д.с) цилиндрического модельного образца (диаметр и_высота модельного образца - 56 мм и 112 мм, диаметр и толщина прокладки из горной породы - 160 мм и 56 мм соответственно/.Задача решена в упруго-пластической постановке па основе метода конечных элементов для условий плоской деформации.

Результаты показали, что различие свойств упругости элементов системы значительно влияет на н.д.с. модельного образца. Высокомодульные (по отношению к модельному образцу) прокладки обуславливают значительные сжимающие поперечные напряжения и мини- • мальность поперечных деформаций в приконтактной зоне.

Из данных следует, что среднее значение напряжений и деформаций (при одинаковой внешней нагрузке) в образце при передаче нагрузки через высокомодулыше прокладки больше, чем при нагру-жении через прокладки с низкими значениями упругости. Это свидетельствует о том, что в первом случае создается условие для накопления и большей концентрации энергии упругой деформации в образце (целике), т.е. для его динамического разрушения.

Для определения характеристик динамического разрушения с ^пользованием метода акустической эмиссии (АЭ) и тензометрии ' чедовались процессы деформирования и разрушения образцов разках по механическим свойствам горных пород. Для моделирования стреляния горных пород, что на практике рассматривается не только шк опасное проявление горного давления, но и как показатель удароопасности и предвестник горных ударов, нами испытанию на одноосное сжатие подвергались специально изготовленные образцы о предложенному методу (подробное изложение метода в разделе 6). . данноод методу одноосному сжатию подвергался цилиндрический призматический образец с боковыми кернами, которые формируются путем бурения шпуров малого диаметра на глубину 4-5 мм в средней части боковой поверхности образца при его подготовке. Как пока г-али испытания, при достижении внешдей одноосно взимающей наг-

70-80/ от разрушающей происходит отрыв и отлет боковых кернов с различной, в зависимости от свойств породы, начальной >соростыо. Для получения более полной количественной информации г.< процессах деформирования и накопления десктоп, приводящих к тотальному или общему динамическому разрушению, в схеме испытания пг^цуомотрено измерение параметров акуотичеокоЯ эмиссии и компонент деформации образца о помощью измерительно втислительиого

комплекса Ивк-20, включающий ЭВМ СМ1300 и аппаратуру ШЛАК, кот... рые позволяют автоматизировать эксперимент. Каждое отдельное акустико-эмиссионное событие (в течение одного опыта около 40001! событий) описывается шестью параметрами: амплитудой и длительностью огибающей акустического сигнала, временем ожидания, текущими значениями действующей нагрузки на образце и величинами абсолютной продольной и поперечной деформации. Анализировались следующие характеристики: нагрузка, текущие значения продольной и поперечной деформации, суммарная эмиссия, активность АЭ, суммарное энерговыделение и мощность АЭ.

В результате проведенных (совместно с Б.Ц.Манжиковым) экспериментальных исследований выделены наиболее информативные параметры динамического разрушения' горных пород: поперечная деформация, активность.и мощность акустической эмиссии, величина энерго--выделения. Установлено, что суммарное энерговыделение пропорционально абсолютной величине поперечной деформации, моменту локального динамического разрушения (стреляние) предшествует увеличение мощности акустической эмиссии и ее противофазное изменение по сравнению с активностью. Выявлен эффект упругого восстановления при локальном динамическом разрушении, заключающийся в скачкообразном изменении направления абсолютной поперечной деформации в момент отлета части (боковой керн) образца горной породы.

Исследования процесса деформирования и разрушения образцов горных пород имеющих и неимеющих остаточные напряжения первого рода с использованием методов тензометрии,акустической эмиссии и ЭВМ показали, что в отличие от исходных и термообработанных, но разгруженных от остаточных напряжений образцов, в термообработан-ных, имеющих остаточные напряжения образцах наблюдается скачкообразное и знакопеременное изменение поперечной деформации, выражающейся в поперечном расширении и затем сужении образца в условиях одноосного сжатия. Данные результаты еще раз подтверждают правомерность установленного явления скачкообразного освобождения остаточных напряжений (см.раздел 4). Необычно выоокие значения энерговыделения и активности АЭ в начале нагружения этих образцов свидетельствуют о значительности вклада остаточных напряжений, при нарушении их равновесия, в деформирование и образование микротрещин. О влиянии остаточных напряжений на механизм разрушения горных пород свидетельствует также резкое уменьшение активности АЭ при переходе аномальной деформации поперечного сжатия (сужения) в

обычную интенсивную деформацию поперечного расширения образца при одноосном сжатии.

Результаты выполненных исследований напряженно-деформированного состояния, процессов деформирования и разрушения горных пород свидетельствуют о том, что механическая неоднородность породного массива и остаточные напряжения имеют определяющее значение при оценке условий динамического проявления горного давления и рассмотрении механизма динамического разрушения горных пород.

6. Оценка условий динамического разрушения горных пород и установление механизма тектонических горных ударов

Для решения проблемы оценки условии и установления механизма динамического разрушения горных пород требуется комплексный анализ таких определяющих показателей, клк свойство горных пород (склонность к динамическому разрушению, прочность,упругость, механическая неоднородность), структурная неоднородность и напряженное состояние.

Результаты выполненных исследований (раздел 3) показали, что при определенных контактных условиях передачи нагрузок, т.е. при обеспечении однородности деформирования, прочность и характер разрушения горных пород не зависят от значений геометрического . . метра И / с( (отношение высоты к диаметру) образца. Данные результаты, полученные также Ю.М.Карташовым и Л.А.Грохольским, показывают, что характер разрушения горной породы главным образом определяется контактными условиями передачи нагрузок,т.е. свойствами упругости контактирующих пород. Вмещающие и рудосодержащие ¡юроды наш рассматривались как единая система, и контактные ус. вия передачи нагрузок количественно определялись через показали сопротивляемости поперечному деформированию контактирующих не,, \д, так как поперечные деформации определяют силу трения на контактах и напряженное состояние.

Экспериментально установлено, что геометрический параметр Н /А конструктивных элементов системы разработки влияет на нап-р-шонное состояние и характер разрушения горных пород только в гпкйсимооти от контактных условий передачи нагрузок. Лоэтому для опзнкп характера разрушения горной породы для различных случаев ее напряженного- состояния главным образом рассматриваются деформационные характеристики контактирующих сред.

Как показали результаты экспериментальных исследований, несущая способность и характер разрушений горной породы определи ются отношением деформационных характеристик (отношением сопротивляемости поперечному деформированию) контактирующих горных по род (сред), названное нами коэффициентом прочности системы (К/?) / 18 /.

Ддя высоких ((1 / А > 2) и неоднородных столбчатых целиков (с прослойками со стороны кровли и почвы):

Ь, Ь/^г

где

Цг''**

С,, Сг- показатель сопротивляемости поперечному деформирован, первого и второго элемента; Е/ , , Ег , - модули упругост1 и коэффициенты Пуассона первого (целика) и второго (вмещающих пород, прослойков) элемента соответственно.

Для условия (1/4(1г , соответствующего натурным условиям деформирования целиков, пород очистных забоев ( (1/- поперечный размер целика, А2 - поперечный размер обнаженных вмещающих пород)

к' ^ „™ К' -К р - -7— или --у-р-

ъ, />г С/

(4),

гдв о » - —— ~ - шш ья- -я

= ~1~~\Иг— коэффициент бокового раопора второго элемента (вмещающих пород).

Результаты экспериментальных исследований, полученные на модельных образцах, показали, что при Ег

тгЦг > Т7

образцы разрушаются при значительно больших значениях напряжения и более динамично, чем г

Ьг < С/

при -

Экспериментально установлено (совместно о Д.С.Дуйшеввым), что с увеличением коэффициента прочности системы ( \\'р ) увс ютоя значения характеристик динамического разрушения горных пород

т.е. разрушение становится более динамичным. При К^4 3 разрушение переходит в статическую форму, оно происходит без выделения кинетической энергии оторванных кусков. Результаты экспериментального исследования характеристик разрушения горных пород показали, что условие, при котором

к;«3;к,*1 ш

является не удароопасным, а условие при котором

к>з'-, кр>\ или > 4г- ■

г 2 л 1

потенциально удароопасно.

Как показали данные исследований характеристик разрушения более 10 разновидностей горных пород при различных контактных условиях передачи нагрузок коэффициент прочности системы, определяемый деформационными характеристиками ее элементов, может служить критерием оценки потенциальной удароопасности по фактору механической неоднородности массива.

При динамическом разрушении горных пород энергия потенциальной упругой деформации ( \А/у ) расходуется на образование новых л.' «рхностей, разлет кусков и колебания среды, т.е. без учета дисиипативных потерь

\Л/у т Ц(7 + \л/л + (5)

+ + (6)

■де IV/? - энергия, расходуемая на образование новых поверхностей;

Мл- - кинатическая энергия разлетающихся при разрушении частей пород; - энергия колебания среды; у/? - удельная поверхностная энергия; б - площадь вновь образованных поверхностей; V*, М -. среднее значение начальной скорости и масса разлетающихся кусков горных пород.

Действующее в массиве напряжение экспериментально опредэля-о'1'оч по упругой деформации восстановления при разгрузке путем окуривания исследуемого участка (метод разгрузки). Следовательно, измеренное в массиве напряжение может характеризовать энергию упругой деформации, т.о. для очага с объёмом V

2Ь

г

ы -

Щ- 2 Е (7)

где &ср - действующее в очаге среднее нормальное напряжение;

Е - модуль упругости горной породи.

Поскольку динамическое разрушение (определяемое наш как разрушение, сопровождающееся с выделением кинетической энергии раздробленных кусков и энергии колебаний среды) будет иметь мае. г только тогда, когда энергия упругой деформации, обусловленная до а ствующим напряжением, превысит энергию деформации, обусловленную разрушающим напряжением для данного вида нагружения и объёма, то условие динамического разрушения горных пород можно выразить неравенством:

6С2Р>6! (8)

где бс - разрушающее напряжение при соответствующем способа наг ружения (одноосное, двухосное, трехосное сжатие, растяжение и т.а Чем больше бСр , по сравнению о б; , тем больше энергия динамического разрушения горных пород. Избыточная энергия упругой деформации может быть обусловлена условиями деформирования, а также неоднородными остаточными напряжениями, так как последние в ряде случаев достигают величин, соизмеримых с разрушающими нап-ряженими, и при этом не вызывают разрушения только вследствии взаимной уравновешенности в нетронутом массиве горных пород.

Динамическое разрушение зависит не только от напряженного соотояния и условий деформирования, но и от свойств горных пород. Нами разработан метод определения склонности горных пород к динамическому разрушению / 13,24 /. Сущность метода заключается в оде дующем. В средней части боковой поверхности цилиндрического или призматического образца пробуривают 3 или 4 боковых шпура малого диаметра на глубину 4+5 мм, обеспечивая целостность боковых кернов. Образец о боковыми кернами подвергается одноосному сжатию, При определенном' уровне одноосно сжимающей нагрузки боевые керны отрываются и в зависимости от свойств образца могут отлетать о различной начальной скоростью. По среднему значению (из более пяти опытов) начальной окорости ( V» ) и удельной кинетической энергии отлетевших боковых кернов (при постоянных условиях испытания) определяют оклонность горных пород к динамическому разрешению (А.С.СССР, Л 1424323 , Д5 1778611).

Анализ условий и особенностей динамического проявления горного давления показал, что приуроченность горных ударов к тектоническим нарушениям и контактам разнородных горных пород оказывается характерной не только для угольных, но и рудных месторождений. Общие характерные особенности горных ударов на угольных шахтах, отмеченные С.Г.Авершиным и И.М.Петуховым, таковы, что весьма часто, как правило, при горном ударе разбитая подкроввльная часть целика превращается в угольную пыль и мелочь, кнд целиком в кровле образуются щели высотой 0,1-0,2 м и глубиной 1-2 м. Важно отметить, что такие щели образуются не только

целиках, но и в забоях, наличие переизмельченных зон характерно также для горных ударов, происходящих в рудных месторождениях.

В настоящее время факты взрывоподобного динамического разрушения горных пород, особенно регулярное образование щели большого количества пыли у кровли в целиках, локальность и приуроченность горных ударов к геологическим нарушениям, контактам магматических пород и их неоднозначная зависимость от глубины разработки не могут быть объяснены на основе существующих представлений, т.е. на основе рассмотрения действия только гравитационных и охватывающих значительные площади тектонических лил. Переизмельчения угля и породы до порошка и образование щели у кровли целика свидетельствуют о локальном, взрывном разрушении как бы изнутри. Например, как бы не ударяли кровля и почва при действии гравитационных, тектонических, приливных сил или динамических импульсов от взрывов, разрушение и переизмельчение имело бы место в средней части целика, а не в контактной зоне. Об этом неоспоримо свидетельствуют широкоизвестные результаты лабораторных испытаний хрупких и полухрупких материалов, в том чисто горных пород на одноосное, двухосное, трехосное сжатие при различных, в том числе динамических, скоростях нагружения. С другой стороны, локальность горного удара в пределах одних и тех же разновидностей горных пород при одинаковых уровнях гравитационного (глубины разработки) и тектонического напряжения, которое действует равномерно на значительных площадях, также не может быть объяснено.

При анализе результатов экспериментальных исследований остаточных напряжений и динамических проявлений горного давления на руднике Восточный Коунрад нами было обращено внимание на то, что горные удары на данном руднике происходили на небольших гдуби-

'нах разработки (240-300м) и на участках, гдэ преобладают и значительны сжимающие остаточные напряжения, где не обнаруживаются (в пределах гранитного массива Казахского щита) тектонические напряжения. В связи с этим было выдвинуто предположение о том, что наряду о действующим гравитационным давлением на данном рул нике остаточные напряжения могли в значительной мере определить горные удары. Дальнейшие исследования взаимосвязи остаточных наи ряжений с горными ударами для данного рудника, а также удароопас ного Североуральского бокситового месторождения, удароопасних угольных месторождений Кызыл - Кия и Джергалан подтвердили правомерность этого предположения. Результаты исследований показали, что в блоках горных пород и углей, отобранных, из участков динамического проявления горного давления, имеются значительные сжимающие остаточные напряжения, тогда как в блоках, отобранных из спокойных по проявлению горного давления участков, уровень сжимающих оотаточных напряжений невысок, преобладают растягивающие остаточные напряжения.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований факторов и условий динамического проявления горного давления позволил определить следующий причинно-следственный механизм тектонического горного удара. Тектонический горный удар, с точки зрения его механизма, - ото самоподдерживающееся динамическое разрушение части массива горных пород с предельными напряжениями, инициируемое от триггерных (спусковых) сил и протекающее по принципу цепной реакции, когда образование каждой трещины приводит в действие (освобождает) остаточные напряжения, которые, в свою очередь, образуют новые трещины, и процесс взрывоподобного разру^ония продлится до установления нового равновесия. Тригтер-ными силами могут быть силы гравитационной пригрузки при образовании значительных обнажений, объёмов пустот взрывом, проходческими и врубовыми комбайнами, а также суммарные силы гравитации, приливов от Луны и взаимодействия Земли о другими небесными телами, т.е. силы, возникающие от изменения и перераспределения нап -ряжений во времени и в пространстве вследствии человеческой деятельности и вариации планетарного взаимодействия.

На основе причинно-следственного механизма можно объяснить локальность горных ударов, их приуроченность к контактам и геологическим нарушениям, взрывоподобность, образование пыли и щели у кровли целиков.Например, локальность и приуроченность горных уда-

ров к зонам контактов л тектонических разломов объясняется тем, что эти зоны являются зонами высокого градиента температуры в прошлом, каналами переноса глубинного тепла и вещества путем перемещения флюидов, гидротермальных, высокотемпературных эффузивных и интрузивных магматических образований. Как отмечают геологи (Е.В.Шарков и др.), после внедрения краевые участки (контакт) интрузий должны находиться в условиях резкого переохлаждения, т.е. по существу представлять .зону закалки. Образование остаточных напряжений при закалке, неравномерном охлаждении твердых тел общеизвестно.

Образование щели и большого количества пыли у кровли или в зонах контактов в целиках,камерах, забоях и взрывоподобность разрушения при горных ударах объясняются с помощью схем механизма тектонического горного удара / 18,23 /. Из схемы самоподдерживающегося взрывоподобного разрушения горных нород с остаточными напряжениями / 18 / следует, что триггерное и гравитационное напряжения при совместном действии, образуя новую поверхность (трещину), подключают,т.о. приводят в действие, остаточные напряжения, которые , в свою очередь,как показано результатами исследований процесса разрушения методом акустической эмиссии (раздел 5), образуют новые трещины, а эти новые трещины снова освобождают остаточные ь,..|Ляженяя, и таким образом процесс разрушения будет развиваться по принципу цепной реакции. При таком разрушении обеспечивается переизмельчениэ породы и угля в окрестности очага до порошка,т.к. (как это показано в разделе 4) остаточные напряжения имеются и внутри зерен, и на уровне кристаллической решетки.

Показано / 23 /, что вероятное место очага горного удара -то участки вдоль контакта, а конкретное место очага определяется глюй концентрации трйггёрного напряжения (опорного гравитационного д,,1-ления и др.). Толчки и глубинные горные удары, часто наблюдав-. mus в угольных шахтах, - те случаи, когда фронт переизмельчания очага, не выходит на поверхность забоя, если же фронт выходит на поверхность забоя, в кровле образуется щель. Остаточные напряжения лмоют место не только в окрестности контактов, но и в пределах памого рудного тела (полезного ископаемого), и теоретически в центральной части (магматического или термального) рудного тела формируются растягивающие, а вблизи контактной с вмещающими породами зоны - сжимающие остаточныо напряжения.

При разработке полезных ископаемых на больших глубинах и при отсутствии остаточных напряжений,• всладсгвии высоких грави-

'тационных нагрузок, можэт происходить динамическое разрушение пород целика, сопровождающееся о выделением энергии сейсмически/ колебаний и кинетической энергии разлетевшихся кусков. При этом докальная очаговая полость и большое количество пыли, часто наблюдаемые при горных ударах, могут не образоваться, так как механизм разрушения в данном случае определяется накопленном и коя центрацией трещин при росте внешней нагрузки, например, воледетшш выемки близко расположенных целиков или образования новых полостей. Такое динамическое разрушение также можно классифицировать как горный удар, который можно было бы назвать гравитационно-технологическим, так как такое разрушение обычно не приурочено ни к тектоническим нарушениям, ни контактам интрузивных горных пород, а в большей мере определяется техногенными условиями (глубина и технология разработки).

Результаты выполненных исследований позволили также разработать новые методы и рекомендации, обеспечивающие решение практических задач. Данные изучения влияния контактных условий передачи нагрузок на прочность горных пород позволили, совместно с другими исследователями, разработать стандартные методы испытаний (ТОСТ 21153.2-84). Исследования механических свойств горных пород и напряженного состояния массива позволили разработать рекомендации по-выбору параметров системы,разработки штокворковых участков Бос точн о-Коу нра дского ме с тор ожд^н ия.

На основе результатов исследований неоднородности механических свойств, показателей динамического разрушения горных пород, напряженного состояния и структурной характеристики участков , ряда месторождений разработаны метод и руководство для определения удароопясности участков маосива горных пород / 25 /.

Предложенный метод определения удароопасности участков включает последовательное выполнение следующих работ: паспортизацию кернового материала; определение"коэффициента структурного ослабления участков; определение средних значений и вариаций прочностных и деформационных показателей горных пород; определение действующих, в том числе (при наличии) остаточных напряжений методами разгрузки, .дискования кернов и др.; определение горно-технического условия совместного деформирования вмещающих и рудосо-держащих горных пород по их характеристикам упругости, т.е. на основе предложенного коэффициента прочности системы (формула 4); определение склонности горних пород к динамическому разрушению по .предложенному методу / 13, 29 /.

яз

Исхода из комплексного анализа этих основных факторов, устанавливаемых главным образом о использованием кернового материала геолого-разведочных работ, можно определить удароопасность конкретных участков как в стадии проектирования рудников, так и при отработке месторождений. П использованием положений и данных разработанного "Руководства по определению удароопасности участков массива горных пород" / 25 / определены конкретные удароопас-ны9 участки Сари-Джазского месторождения. В пределах установлен- . них по предлагаемому методу удароопасных участков, для исключения динамических проявлений горного давления, рекомендовано применение системы разработки, предусматривающей массовую отбойку руды, при которой отбиваются локальные-удароопасные очаги, исключается концентрация напряжений в целиках. В частности, в установленных удароопасных участках (блок горизонта 3368, штольня 5, квершлаг 9, скважина 277 и блок горизонта 3320, штольня 4, квершлаг 12, скважина 283 участка Ташкороо; блок горизонта 3363, штольня И, штрек 49 участка Центральная) за счет уменьшения количества этажей и выемки целиков достигаются уменьшение потерь, увеличение добычи пблезных ископаемых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работа дано решение крупной научной и практической проблемы, заключающейся в определении геомеханических условий и установлении механизма динамического разрушения горных пород для обеспечения безопасности ведения горных работ дри разработке удароопасных месторождений, что вносит"значительный вклад в развитие научного направления - геомеханика горно-■мсладчатых областей.

Основные научные, методические и практические результаты работы заключаются в следующем:

I. Разработана структурная модель квазиизотропных горных пород, учитывающая полимодальность статистического распределения р&зглеров, иерархическую разношсштабнооть элементов структуры и

дискретную связанность породного массива, позволяющая анализировать особенности деформации и разрушения горных пород при различных видах напряженного состояния. |

2. Установлен периодический (волюобразный.) характер пространственного изшнения остаточных напряжений первого рода

и согласованность периодического изменения действующих и остаточ ных напряжений по длине измерительных скважин в участках ударо-опасных месторождений.

3. Разработана структурно-механическая модель неоднородной твердой среды, позволяющая описывать изменение остаточных напряжений на разных масштабных уровнях: в кристаллической решетке,

• внутри и на границах зерен при воздействии на минералы горных пород физических полей (СВЧ электромагнитное облучение, температурный градиент в условиях закалки).

4. Установлено явление скачкообразного освобоздения остаточных напряжений в горных породах, заключающееся в том, что при статическом сжатии горной породы с остаточными напряжениями наряду с плавным продольным сжатием и поперечным расширением происходит скачкообразное и знакопеременное изменение этих деформаций, обусловленное нарушением внешней нагрузкой равновесия имеющихся остаточных напряжений и их взаимодействием о напряжениями, образующимися от действия внешних сия. Данное явление позволяет объяснить механизм скачкообразной и знакопеременной деформации участков массива горных пород, предшествующая горным ударам и землетрясениям, может быть использовано для установления механизма пр&цвестниковых процессов этих динамических событий.

5. Разработан метод оценки удароопасности участков месторождений, основанный на анализе количественных характеристик склонности горных пород к динамическому разрушению, механической неоднородности массива, условий динамического разрушения, позволяющий комплексно учитывать горно-технические условия деформирования и свойства горных пород. Экспериментально установлено, что предложенный коэффициент прочности системы, определяемый соотношением деформационных характеристик контактирующих сред (вмещающих и рудосодержащих горных пород), отражает условие-накопления энергии упругой деформации, предопределяющее характер разрушения элемента системы.

6. Определены главные причины и механизм тектоническое горного удара. Тектонический горный удар, с точки зрения его механизма, определяется как самоподдерживающееся динамическое

35

разрушение чаоти массива горных пород с предельными напряжения- '• ми, инициируемое от триггерных (спусковых) сил и протекающее по принципу цепной реакции, когда образование каздой трещины приводит в действие (высвобождает) остаточные напряжения, которые в свою очередь образуют новые трещины и процесо лавинообразного разрушения, сопровождающийся выделением кинетической энергии отлетевших кусков пород и энергии колебаний (электромагнитных, звуковых, сейсмических) продлится до установления нового равновесия.

7. Разработан метод определения характеристик динамического разрушения (начальная скорость, удельная кинетическая энергия отлетевшей части породы при нагружении), позволяющий определить склонность горных пород к динамическому разрушению, классифицировать их по степени потенциальной удароопаоности (A.c. СССР

й 1424323, а.о. СССР № 17786II).

8. Разработан метод определения механических характеристик горных пород при одноосном сжатии, обеспечивающий.-квазиоднородность напряженного состояния образца при испытании, позволяющий получить точные и надежные показатели деформируемости и прочности горных пород (A.c. СССР Je II85I70).

9. Разработанные стандартные методы определения показателей; точности горных пород при одноосном сжатии (ГОСТ 2II53.2-84),

рекомендации по выбору оптимальных параметров системы разработки дспользованы при ведении и нормировании горных работ с получением экономического эффекта за счет сокращения затрат на проведение испытаний, использование надежных характеристик прочности горных пород, сокращения объёма проходки подготовительных выработок и " потерь полезных ископаемых. Разработанное "Руководство по определению удароопаоности участков массива горных пород" может быть

¡пользовано как при проектировании рудников, так и при отработка удароопасных месторождений. Рекомендации, обоснованные с учетом положений руководства, принятые Сары-Джазским ГОКом для практического применения, позволяют увеличить объём добычи руда --•а счет уменьшения количества этажей и выемки-целиков в установленных удароопасных участках Сары-Джазского месторождения.

Общий экономический эффект от практического применения результатов работы составляет 501,4 тыс.рублей(в ценах 1Э90г.).

3-3

•Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Карташов Ü.M., Терметчиков М.К., Тажибаев К.Т. Деформирование и разрушение горных пород при различных контактных условиях передачи нагрузки/Механика разруш.горн.пород//Матер.УI Всео. конф. по механика горных пород.-Фрунзе, 1980.-С.221-230,

2. Тажибаев К.Т. Об особенностях структуры и механического поведения горных пород/физика и механ.разрушения горных пород.-Фрунзе,1982.

3. ГОСТ 2II53.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии/Карташов Ю.М.,Михеев Г.В..., Тажибаев К.Т. и др.-М.: Изд.стандартов, I984.-C.I0.

4. Тажибаев К.Т., КУрманалиев Д.Б. Способ испытания цилиндрических образцов горных пород на одноосное сжатие/А.Q.СССР, II85I70, 1985. Бюл.й 38.

5. Тажибаев К.Т. Структурная модель квазиизотропной горной породы/Напряж.состояние горн.пород и их разрушение.-Фрунзе,Iß86. -С.77-88.

6. Тажибаев К.Т. Деформация и разрушение горных пород.-Фрун-'зе, I986.-C.I07.

7. Айтматов И.Т., Тажибаев К.Т. Результаты определения остаточных;' напряжений в гранитах Восточно-Коунрадокого месторовдения/ Напряженное состояние горных пород и их разрушение.-Фрунзе,1986. -0.74-г,7.

8. Айтматов И.Т..Тажибаев К.Т. Проявление остаточных напряжений в деформации горных пород при их нагружении/Физика и механика разрушения горных пород.-Фрунзе,1987.-С.134-164.

. 9. Тажибаев К.Т., Боргояков В.А., Первых В.И. Результаты измерения напряжений в горных породах рудника Восточный Коунрад/ физика и механ. разруш.горных пород.-Фрунзе,1987.-С.13-21. .

. 10. Тажибаев К.Т. Условия динамического разрушения горных пород/Физика и механика разруш.горн.пород.-Фрунзе,1987.-С.48<-58.

11. Тажибаев К.Т. Влияние неоднородности деформационных свойств вмещающих и слагающих пород целика на его характер разру-шзния/Пробл.разраб. полез.ископаемых в уол. высокогорья//Тез.докл. I Всео.семин.-Фрунзе,1987.-С.33. ...

12. Тажибаев К.Т., Касымалиев Б.Т.Дунуев К.К..Дуйшеев Д.О. Оценка неоднородности механических свойств горных пород и определение напряжений участков Сары-Джазского месторождения//Пробл.

разраб. полезн.ископаемых/Дез.докл.I Всео.свмин.-Фрунзе,1987.-0.33.

13. Тажибаев К.Т., Боргояков В.А. Способ определения склонности горных пород к динамическому разрушению/А.с.СССР,1424323, - 1988. Бюл.№ 35.

14. Тажибаев К.Т., Дуйшеев Д.С. Метод определения прочности горных пород на растяжение/Изв.АН Кирг.ССР.-№ 4.-1989.-С.53-56.

15. Тажибаев К.Т., Дуйшеев Д.С.. Экспериментальные исследования условий динамических и статических разрушений горных пород/ Изв.АН Кирг.ССР.-1989.4.-С.46-53.

16. Тажибаев К.Т., Боргояков В.А..Касымалиев Б.Т.,Чунуев К. Анализ методов и результаты определения остаточных напряжений/ Геомехан. массивов пород в горноскладчат.областях.-Фрунзе,1989. -С.32-42.

17. Тажибаев К.Т., Дуйшеев Д.С. Результаты исследования стреляния горных пород/Геомехан.массивов пород в горнооклад, областях.-Фрунзе, 1989.-С.41-48.

18. Тажибаев К.Т. Условия динамического разрушения горных пород и причины горных ударов.-Фрунзе,1989.-С.180.

19. Тажибаев К.Т., Мамбетов Ш.А., Дуйшеев Д.С. Остаточные напряжения как фактор динамического разрушения горных пород/Проб, разраб.полезн.ископаемых в услов.высокогорья//Тез.докл.ц Всео. •^емин. -Фрун зе, 1990.

20. Тажибаев К.Т., Ташмаматов А.С., Акматалиева М.С., Дуйшеев Д.С. Результаты определения напряжений участков Сары-Джаэ-ского месторождения/Пробл.разраб.полез.ископаемых в услов.высокогорья/Дез. докл. II Всес.семин.-Фрунзе,1990.

21. Тажибаев К.Т., Мамбетов Ш.А., Дуйшеев Д.С. Определение удароопасных участков массива Сары-Джазского месторождения// Пробл.разраб.полезн.ископаемых в услов.высокогорья//Тез.докл. II Всес.семин.-Фрунзе, 1990.

22. Тажибаев К.Т., Тыныбеков Д.К. О неоднородности и пространственной изменчивости напряжений/Напряж.состояние и разрушение горных пород.-Фрунзе, 1991.-С.85-90.

23. Тажибаев К.Т. О причинах и механизме горных ударов и землетрясений/Исслед..прогноз и предотвращ.горных ударов//Матер. IX Всес.конф.по механике горн.пород.-Бишкек,1991.-С.139-167.

24. Тажибаев К.Т., Дуйшеев Д.С. Экспериментальные исследования характеристик разрушения горных пород при различных кон-

тактных условиях и режимах нагружения//Иослэд.,прогноз и пред-отвращ.горных ударовЛатер.1Х Всес. конф.по механике горных пород (1989).-Бишкек, I99I.-C.252-266.

25. Тажибаев К.Т., Мамбетов Ш.А., Дуйшеев Д.С. Руководство по определению удароопаснооти участков массива горных пород (на примере Сары-Джазского месторождения).-Бишкек, 1992.-С.45.

26. Тажибаев К.Т. Исследование стреляний и поверхностной энергии горных пород//Геомеханическое обоснование методов расчета устойчивости обнажений.-Бишкек,1992.-С.9-13.

27. Тажибаев К.Т., Султаналиева P.M. Структурно-механическая модель напряженно-деформированного состояния неоднородной твердой среды//Геомеханическое обоснование методов расчета устойчивости обнажений.-Бишкек, 1992.-С.99-107.

28. Султаналиева P.M., Тажибаев К.Т., Заворыкина Т.К., Зильбершмидт М.Г. Результаты определения параметров структуры и остаточных напряжений горных пород методом рентгеновской дифрак-тометрии//Геомеханическое обоснование методов расчета устойчивости обнажений.-Бишкек, I992.-C.I07-II0.

29. Тажибаев К.Т., Дуйшеев Д.С. Способ определения склонности горных пород к динамическому разрушению/А.с.СССР,I7786II. -1992. Бюд.№ 44.