автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методика оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки

На правах рукописи

КОРНЕЕВ Виктор Александрович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТЯХ СКВАЖИНЫ, ПРОБУРЕННОЙ ИЗ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов н изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург - 2013

005542302

005542302

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук

Пугачев Ем ель ян Васильевич

Официальные оппоненты:

Носов Виктор Владимирович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра приборостроения, профессор

Штенгель Вячеслав Гедалиевич кандидат технических наук, ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация - ООО «ИНГОРТЕХ».

Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета /лЪъУ'^Фокин Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Усложнение горно-геологических условий добычи угля на шахтах, рост нагрузок на выемочные участки, повышение уровня травматизма требуют оперативного управления технологическими процессами с использованием информационной базы данных и знаний, которая регулярно обновляется по результатам визуального и инструментального мониторинга. Важным элементом базы данных являются сведения о параметрах физико-механических свойств горных пород. В этой связи актуальными являются исследования, обеспечивающие достоверность прочностных и деформационных свойств пород.

Низкая надежность, значительная трудоемкость и стоимость лабораторного контроля прочностных и деформационных свойств горных пород способствовали разработке и широкому применению натурных методов, актуальным направлением развития которых является совершенствование систем сбора, хранения, обработки, передачи полученной информации, а также ее интерпретации с привлечением различных математических моделей и статистических методов.

Одним из перспективных методов контроля свойств пород являются натурные испытания, в том числе вдавливание индентора в стенки скважины, пробуренной в массиве горных пород. В отечественной и зарубежной практике разработано много технических средств, реализующих данный метод контроля. Однако, механизм математической интерпретации результатов мониторинга методом вдавливания индентора, соответствующий потребностям горной практики, в настоящее время не доведен до практического применения. При этом выявленные эмпирическим путем корреляционные зависимости между контактной прочностью горной породы и ее другими физико-механическими параметрами, а также применяемые приборы определения контактной прочности, не всегда по уровню надежности соответствуют требованиям горного производства.

В связи с данными обстоятельствами одной из актуальных задач в горной науке и практике является разработка технического устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах методом вдавливания индентора. При этом целесообразно использовать математическую модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора для интерпретации показаний прибора и определения предела разрушения.

Работа выполнена по инициативе ООО «ЭО Экспертпромуголь» в рамках гранта ректора ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы: Повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

Идея работы: повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины достигается записью результатов исследования на съемные носители памяти, использованием для интерпретации показаний прибора математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, а также достижением увеличения нагрузки на инденто-ре прибора посредством оригинальной конструкции гидравлического цилиндра.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов и средств контроля прочностных и деформационных свойств горных пород.

2. Обосновать метод вдавливания индентора для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.

3. Провести анализ точности, оперативности и надежности существующих приборов для измерения контактной прочности горных

пород в скважинах.

4. Разработать конструкцию устройства для определения контактной прочности пород в скважинах, пробуренных в окрестности подземных горных выработок.

5. Адаптировать к условиям скважинных измерений, реализовать на ЭВМ и протестировать математическую модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.

6. Изучить посредством численного моделирования влияние основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.

7. Разработать методику оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горных выработок.

8. Провести апробацию методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения.

Методы исследований.

В работе использовались лабораторные методики при определении физико-механических свойств искусственных образцов; натурные эксперименты при проведении тестирования математической модели, а так же апробации разработанного устройства, методики и программного обеспечения; методы математической статистики и численного моделирования при обработке результатов исследований.

Научная новизна работы:

1. Повышена точность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством разработки метода, отличающегося синтезом процедур натурного измерения контактной прочности и компьютерной обработки с привлечением адаптированной к условиям скважинных измерений математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород и авторского программного обеспечения.

2. Расширен диапазон определения прочное™ горных пород в окрестности скважины посредством разработки устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочно-стномер ПСШ-1», отличающегося конструкцией гидроцилиндра, включающей в себя нагрузочный и бесштоковый поршни, и позволяющей осуществлять внедрение индентора в особо крепкие горные породы (патент РФ № 2433266 от 10.11.2011).

3. Повышена оперативность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством использования авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612864).

Обоснованность н достоверность выводов и рекомендаций подтверждается результатами лабораторных исследований с использованием стандартных методик, численным моделированием, положительными результатами апробации разработанной методики, устройства для ее реализации «Прочностномер ПСШ-1» и программного обеспечения в условиях Центра коллективного пользования «Материаловедение» СибГИУ, а также рекомендациями к их внедрению, выданными экспертными и научно-исследовательскими организациями.

Практическая ценность работы заключается:

1. В возможности применения метода оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для его реализации и программного обеспечения с целью оперативного контроля, прогнозирования и управления геомеханической обстановкой в горной выработке, повышения качества проектной документации и проведения профилактических мероприятия по предупреждению аварийных ситуаций в угольных шахтах.

2. В использовании авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ при определении напряженно-деформированного состояния горных пород, с целью сокращения ресурсоемкости вычислений по сравнению с известными программными решениями.

3. В развитии конструкции трехполостного гидравлического цилиндра с нагрузочным и бесштоковым поршнями, для усиления

давления в напорной полости по сравнению с давлением подводимой жидкости в условиях рабочего пространства, ограниченного диаметром скважины.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты диссертационной работы и техническая документация переданы в ООО «ИНГОРТЕХ» для использования в системе локального и текущего контроля состояния горного массива «Микон-ГЕО». Разработанное автором устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах в совокупности с методикой оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, и прилагаемым программным обеспечением рекомендованы к внедрению на угольных шахтах и разрезах ООО «ВостНИГРИ», ООО «ЭО Экспертпромуголь», ОАО «СибНИИуглео-богащение», ЗАО «Уралгормаш».

Личный вклад автора состоит:

1. В обосновании по итогам патентного поиска и литературных источников метода вдавливания индентора как наиболее перспективного и информативного для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.

2. В разработке конструкции устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах с привлечением авторских технических решений.

3. В адаптации к условиям скважинных измерений, реализации ЭВМ и тестировании математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.

4. В изучении посредством численного моделирования влияния основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.

5. В разработке методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

6. В апробации методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства дня ее реализации и программного обеспечения посредством проведения натурного эксперимента.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на научно-практических семинарах (г. Новокузнецк 20072012) на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: г. Новокузнецк 2008, 2009, 2010, 2012; г. Кемерово 2009; г. Новосибирск 2010; г. Черкассы 2011. На научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ОУК Южкузбассуголь» разработанная методика, устройство «Прочностномер ПСШ-1» и про-

граммное обеспечение были отмечены дипломом в номинации «За научную новизну».

По результатам исследований получен грант ректора ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертации и ее результаты опубликованы в 16 печатных работах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Содержит 45 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 134 наименований, 7 приложений. Общий объем работы 141 страница.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая значимость работы, основные результаты и достижения автора, выносимые на защиту.

В 1 главе приведён анализ литературы, посвященной лабораторным и натурным методам и средствам мониторинга физико-механических свойств горных пород, а также влиянию на результаты исследований различных факторов окружающей среды. Рассмотрены достоинства и недостатки различных методов контроля. Установлено, что более надежные результаты дают натурные методы определения прочностных и деформационных свойств горных пород, одним из самых перспективных среди которых является метод вдавливания ин-дентора в стенку скважины, пробуренной в массиве горных пород.

В главе 2 разработаны структурно-методологическая схема исследований, матрица проведения исследований, алгоритм проведения натурного эксперимента и схема тарировки тензометрического датчика прочностномера ПСШ-1. Осуществлен выбор приборов, оборудования и испытуемого материала. Разработана конструкция для изготовления блоков из мелкозернистого бетона с имитацией скважины. Проведено исследование контрольных образцов из бетонной смеси.

В главе 3 осуществлен анализ преимуществ и недостатков существующих аналогов проектируемого устройства и разработана его конструкция. Создана и изготовлена система записи измеряемых данных на съемные носители памяти и предложен алгоритм их обработки. Обоснован и выбран тип инденторов, используемых в устройстве, позволяющий дать представительную информацию о физико-механических свойствах горных пород по результатам интерпретации диаграммы вдавливания.

В главе 4 рассмотрены существующие аналитические решения контактных задач и алгоритмы расчета напряжений при контактном взаимодействии индентора и материала, предложенные различными авторами, обоснован выбор метода конечных элементов в качестве основы для численного решения контактной задачи при построении математической модели. Адаптирована математическая модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора. Разработан авторский алгоритм реализации расчетов на ЭВМ. Посредством натурного и численного экспериментов доказаны адекватность адаптированной математической модели реально протекающему процессу и эффективность предложенного алгоритма. Проведено исследование влияния основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под

действием индентора.

В главе 5 разработана методика оценки прочности горных пород

в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки. Осуществлена апробация разработанной методики, устройства для ее реализации и авторского программного обеспечения.

В заключении представлены обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочноетномер ПСШ-1» посредством интеллектуальной системы сбора данных, а также авторской конструкции гидравлического цилиндра, включающей в себя нагрузочный и бесштоковый поршни, позволяет фиксировать диаграмму вдавливания индентора на съемные носители памяти и обеспечивает исследование особо крепких горных пород, тем самым повышая оперативность исследований и расширяя диапазон измерения.

«Прочноетномер ПСШ-1» конструктивно состоит из гидроцилиндра 1, насоса 2, рукава высокого давления 3, системы сбора данных 4, датчика давления 5 и тензометрического датчика, взаимодействующего с индентором прочностномера (рисунок 1-а). Гидроцилиндр устройства (рисунок 1-6) представляет собой конструкцию с тремя концентрическими полостями: входной А, кольцевой В и напорной С. Бесштоковый поршень 1 своими цилиндрическими поверхностями В и Е взаимодействует с поверхностью входной А и кольцевой В полостей соответственно. В напорной полости С помещен нагрузочный поршень 2 со штоком 3, который оснащен индентором 4, взаимодействующим с горной породой 5. Кольцевая полость В имеет гидравлическую связь с напорной полостью С через канал 6. Каналы 7

и 8 предназначены для подвода рабочей жидкости во входную полость А гидроцилиндра и в штоковое пространство напорной полости С.

а) б)

Рисунок 1 - Устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1»: а) общий вид; б) гидроцилиндр прибора

Гидравлический цилиндр прибора позволяет достигать усиления нагрузки, с которой осуществляется воздействие индентора на горную породу, по сравнению с давлением подводимой жидкости в соответствии со следующей зависимостью:

Р = ■ £

2 '

(1)

где Р - усилие на инденторе; - давление подводимой жидкости; Б2 - площадь сечения бесштокового и нагрузочного поршней в гидравлическом цилиндре.

Из приведенного соотношения видно, что при стремлении площади 5"2 к площади , усилие Р теоретически может достигать бесконечных величин, что позволяет изменением площади .V, достигнуть на инденторе усилий, гарантированно достаточных для внедрения индентора во все практически возможные для мониторинга особо крепкие горные породы, расширяя тем самым диапазон измерения при определении прочности горных пород.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема системы сбора данных прочностномера ПСШ-1. Она состоит из датчика давления ДМ5007А, тензорезисторного датчика деформаций, собранного по

полумостовой схеме из двух тензорезисторов 2ФКП-5х400, модуля сбора данных МСД-200 и преобразователя сигналов тензометрическо-го датчика 08СА38-17С.

МСД-200 Вход 4 Вход 3 — Вход 2 — Вход 1 - -1

usB Гидравлическая система прибора

+ И | ДШии/А

+ in 4.2СиА 1-----|—о +2АЬ -■ ] DSCA3S-17C

4- 8 U=J-c=>J Тензорезестизный полумост

7

б

5

-1-

RS2 (dev) В i 4 с—^ LZ-1 l—v' ¿2^1 Карта падата £ ---^ чо

А 1 з

RSI(PC) В А 1 1

24 8 1 + -Y--о +24B

Рисунок 2 - Принципиальная схема системы сбора данных прочностномера ПСШ-1

Для определения значения измеряемой физической величины в модуле используется следующая зависимость:

X = (Yl-Y0)-j^f- + Y0, (2)

max min

где X - результирующее значение физической величины; / -значение входного сигнала, мА; /min, /тах - нижняя и верхняя границы диапазона изменения входного сигнала, мА; Y0, Yx - нижняя и

верхняя границы диапазона изменения физической величины.

Модуль сбора данных МСД-200, позволяет осуществлять архивирование данных на карту память (ММС, SD, SDHC, microSD, microSDHC), что дает возможность обработки результатов измерений вне зоны их проведения и значительно повышает оперативность исследований.

Тестирование устройства «Прочностномер ПСШ-1» осуществлялось посредством проведения натурного эксперимента по вдавливанию индентора в стенку скважины в блоке, изготовленном из мелкозернистого бетона в специальной опалубке (рисунок 3). На рисунке^З цифрами обозначены: 1 - бетонный блок; 2 - распалубленная опагтуб-

ка; 3 - трубный элемент, имитирующего скважину; 4 - специальное приспособление для извлечения из блока трубного элемента.

Анализ диаграмм вдавливания ин-дентора (рисунок 4) устройства показал, что процесс внедрения индентора в стенку скважины осуществляется в несколько этапов, характеризующихся разрушением горной породы. Каждый этап можно зафиксировать на диаграмме по моменту резкого падения давления в гидросистеме устройства. Таким образом, на приведенной диаграмме можно отметить 3 этапа разрушения, при этом усилие индентора на первом из них, отнесенное к площади контактной части индентора будет являться величиной контактной прочности материала.

Проверка адекватности фиксации устройством и интерпретации диаграммы вдавливания была осуществлена посредством исследования лунок, образовавшихся на разных этапах разрушениям, с использованием микроскопа МБС-2 при 25-кратном увеличении (рисунок 5). Измерение диаметра лунок осуществлялось с помощью окуляр-микрометра, оттарированного по объект-микрометру. Выявленное увеличение диаметра лунок (таблица 1), соответствующих каждому этапу разрушения свидетельствует о соответствии регистрируемых прибором данных реальным показателям процесса разрушения горной породы в скважине под влиянием индентора.

1-й этап 2-й этап 3-й этап

Рисунок 5 - Фотографии лунок при разрушении бетона на различных этапах с указанием зоны разрушения:

Таблица 1 - Диаметр лунок, образовавшихся при внедрении инденто-ра в испытуемый материал на разных этапах разрушения_

Этап разрушения Диаметр образовавшейся лунки, мм

1 2,25

2 2,95

3 3,95

Рисунок 3 - Блок с имитацией скважины

Математическая модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, обеспечивает интерпретацию показаний устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Проч-ностномер ПСШ-1», а также сокращает ресурсоемкое^ компьютерных вычислений по сравнению с известными программными решениями посредством авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ, тем самым повышая оперативность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из

горной выработки.

Опираясь на имеющиеся аналитические решения контактных задач в работах различных авторов (А.Н. Динника. Н.М Беляева, И.Я. Штаермана, Буссинека, Снеддона, Лове, Л.А. Галина, Н.И. Мусхели-швили и др.) В совокупности с рассмотрением численных методов расчета пространственного напряженно-деформированного состояния горных пород, для построения математической модели автором выбран метод конечных элементов (МКЭ). Выбор данного метода обусловлен объективными достоинствами МКЭ, такими как расчет напряженно-деформированного состояния тел, состоящих из нескольких материалов с нерегулярными границами, сгущение сетки в местах ожидаемой концентрации напряжений, а также учет различных граничных условий. Кроме того, матрицы, используемые в МКЭ, обладают целым рядом достоинств - они положительно определены, симметричны и хорошо обусловлены, что в совокупности с широким рассмотрением теоретических основ и программной реализации данного метода в различных источниках делает МКЭ наиболее предпочтительным для решения задач такого типа.

В основе математической модели, используемой для интерпретации показаний прибора, лежит аппроксимация непрерывного смещения исследуемого материала посредством набора линеиных функций описывающих деформирование в объеме конечного элемента. В качестве конечного элемента в реализованной математической модели используется трехмерный симплекс-элемент, представляющий собой тетраэдр. Интерполяционный полином для такого элемента по Л. Се-герлинду имеет вид:

ф = ал + а2х + аъу + алг, (3)

где (р - исследуемая скалярная величина; а2, «3, ал - коэффициенты полинома; х, у, 2 -координатытетраэдра.

■і-

а

16000 14000 12000 10000 8000 «¡00 4С00 2000

і

Ш-й этап разрушения у/

II-й этап разрушения /

Г

/

1-й этап разрушения *

У

У

/

._{

4 4,5 5 5,5 6 7 7^ 8 $5

Перемещение индентора (мм)

Рисунок 4 - Диаграмма вдавливания индентора в стенку скважины

( Пущ г-

• А : матрица

коэффициентов (N,N+1), в (N-4 )-ом столбце матрицы А записан вектор правых частей линейных уравнений; X : вектор неизвестных; N1 число линейных уравнений; ЬРМ: ширина полосы матрицы А без учета (№1)-ого столбца.

Цикл с независимыми итерациями, которые могут выполняться в произвольном порядке различными процессорами.

Цикл с независимыми итерациями, которые могут выполняться в произвольном порядке различными процессорами.

Останов )

Рисунок 6 - Авторский алгоритм реализации расчетов на ЭВМ

Рисунок 7 - Сравнительный анализ эффективности авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ

24

22 0

20

18

16 1

14

12

10

е

6

4

2 мм

24 22 18 16 14 12 10 8 « 4 2 С 2 4 6 8 -.5 14 16 18 20 22 24

7

и /б

—

___

р

I'2

...... и

1 (.16

| 1

И 20

-22

го 1 .24-

ё- Г' 1 -26] 1

X 28

> -30

11. О ■32

И* Ось К Переиещйнив а

Рисунок 8 - График напряжение-деформация при испытании контрольного образца из мелкозернистого бетона на одноосное сжатие

ІШС^Ь.2- Я

25000

I

и о. е 20000 -

и д і я 15000 ^

та X 10000 -

и 5

£ 5000

о

3 3,5 4 4,5 . 5 5,5 6 6,5

Перемещение индентора (мм)

Рисунок 11 - Диаграмма вдавливания индентора в стенку скважины, пробуренной в мраморном блоке

ММ 50.00 40.00-30.00 20 00' 10.00 0.00 -10.00 -20.00 -30.00 -40.00 -50,00'

.—-— 0.001С

V N V

Я V \

§§ 1 V ) /

У Ґ

---

ММ

5.00-

4.00-3.00-2 00-1.00-0.00--1 00--2.00 -3.00

-4.00

ММ

5.00

\

І

і і

V \ о Л \ \

к У / 1 ж о /

т IV/

'й № '

ММ

30.00 40 00 50 00 60.00 70.00 80.00 30.00 31.215 32.430 33.645 34.860 35.075

а) б)

Рисунок 13 - Изолинии, полученные по результатам математического моделирования: а) горизонтальных смещений; б) геометрии лунки разрушения

Таблица 3 - Результаты сравнительного сопоставления показателей

предела прочности при одноосном сжатии

№ образца Контактная прочность, МПа Предел прочности при одноосном сжатии

Метод Барона-Глатмана Разработанная методика гост 21153.2 - 84, МПа По корреляционной зависимости с контактной прочностью по методу Барона-Глатмана, МПа Д Разработанная методика, МПа Д

1 1035,776 281,54 15,8 101,16 6,4 13,9 0,88

2 679,68 263,15 3,6 78,56 21,82 3,24 0,9

3 166,656 207,56 2,2 33,8 15,36 1,95 0,89

4 92,16 98,78 0,8 23,69 29,61 0,7 0,88

Методика оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки (МПа)

Рисунок 14 - Корреляция контактной прочности определенной по методу Барона - Глатмана и методике оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки

Используя допущения МКЭ, Л. Сегерлинд сводит процесс интегрирования сложных дифференциальных уравнений к решению системы линейных уравнений вида:

где {F} - вектор-столбец нагрузок на конечные элементы; [К\ -глобальная матрица жесткости; Щ - вектор-столбец перемещений вершин конечных элементов, определяемый после решения системы уравнений.

Глобальная матрица жесткости включает в себя матрицы жесткости всех конечных элементов. Для 1-го элемента системы матрица жесткости принимает вид:

[к,]= , (5)

У,

где \к, ] - матрица жесткости /-го элемента системы; [В, ] -матрица коэффициентов вида конечных элементов системы и типа рассматриваемой задачи; [О, ] - матрица упругих констант материала

в конечном элементе системы.

Система уравнений (4) решается методом исключения Гаусса, который является весьма ресурсоемким процессом при расчетах на ЭВМ. В этой связи автором разработан оригинальный алгоритм реализации расчетов на ЭВМ при написании пакета программ «Инденти-рование» V 1.0 для интерпретации диаграммы вдавливания индентора с устройства «Прочностномер ПСШ-1» (рисунок 6). Сравнительный анализ эффективности использования предложенного алгоритма по сравнению с известными последовательными программными решениями (Л. Сегерлинд, А. Б. Фадеев) приведен на рисунке 7, из которого видно, что использование авторского алгоритма сокращает время расчета в среднем на 37 %. Таким образом, применение на практике разработанного алгоритма позволяет осуществлять моделирование с большей точностью и меньшими временными затратами, что в свою очередь повышает оперативность оценки прочности горных пород при проведении исследований и достоверность получаемых результатов.

Тестирование математической модели было проведено на блоке с имитацией скважины, состоящего из мелкозернистого бетона следующего состава (мае. %): портландцемент (М400) - 19...20; песок (М200; класс В12,5; модуль крупности Мкр.=2,0) - 57...58; вода - 23.

На рисунке 8 приведен график напряжение-деформация, полученный при испытании одного из контрольных образцов мелкозернистого бетона на одноосное сжатие. С учетом статистической обработ-

ки результатов при испытании контрольных образцов мелкозернистого бетона установлено значение предела прочности при одноосном сжатии {асж =28 МПа), которое далее использовалось при моделировании натурного эксперимента.

После завершения исследований контрольных образцов, был проведен натурный эксперимент, включающий в себя 20 опытов по вдавливанию индентора в стенку скважины посредством прочностно-мера ПСШ-1. Статистическая обработка диаграмм вдавливания индентора с прибора позволила установить величину усилия на инден-торе (Н) и глубину его внедрения к (мм) на различных этапах разрушения бетона (таблица 2). Далее, исходя из известной глубины внедрения индентора осуществлен расчет объема лунки выкола (таблица 2) по следующей зависимости:

У = Щг12+г1Ь + ~), (6)

где V - объем образовавшейся лунки; И - глубина погружения индентора; >\ - радиус верхнего основания индентора.

вания инденто ра в мелкозернистый бетон

Этап разрушения Усилие на инденторе, Н Глубина внедрения индентора, мм Объем лунки выкола, мм3

1 10625,53 0,68 2,91

2 12484,84 0,91 4,77

3 15010,14 1,25 8,83

4 18439,74 1,77 17,5

После проведения обработки результатов натурного эксперимента была построена тарировочная кривая (рисунок 9), связывающая величины объемов разрушения бетона, определенных при проведении натурного эксперимента и полученных в ходе его моделирования.

Из рисунка 9 видно, что между данными объемами существует четко выраженная линейная зависимость, что указывает на адекватность математической модели, реально протекающему процессу.

Объем лунки выкола, полученный при проведении натурного эксперимента (ми3)

Рисунок 9 - Тарировочная кривая, связывающая расчетный и натурный

объемы разрушения

Таким образом, используя в качестве исходных данных в математической модели усилие на инденторе прибора и предел прочности горной породы при одноосном сжатии, возможно определять физико-механические свойства горных пород методом обратного расчета, то есть осуществлять интерпретацию показаний устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1». При этом критерием соответствия предела прочности при одноосном сжатии в математической модели его значению в горной породе является соответствие расчетного объема лунки экспериментальному, определенному по диаграмме вдавливания индентора.

Методика оценки прочности горных пород в окрестности скважины, пробуренной из горных выработок, в совокупности с разработанным устройством «Прочностномер ПСШ-1» и математической моделью напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, реализованной на ЭВМ в виде авторского пакета программ «Индентирова-ние» v 1.0, обеспечивает оценку прочности горных пород в окрестностях скважины с точностью, превышающей известный метод Барона - Глатмана, нашедший применение на практике.

Апробация методики определения контактной прочности горных пород в скважинах, устройства для ее реализации и программного обеспечения осуществлялась посредством определения прочностных и деформационных свойств геологического образца мрамора с линейными размерами 500 х 150 х 200 мм, в котором были пробурены 2 скважины диаметром 58 мм (рисунок 10). Эксперименты проводились в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», о чем есть соответствующий акт, со-

ставленный членами рабочей комиссии. Исследования включали в себя 20 опытов по вдавливанию индентора в стенку скважины посредством прочностномера ПСШ-1 Диаграмма вдавливания приведена на рисунке 11.

Обработка диаграммы показала, что контактное разрушение данного геологического образца наступает при достижении усилия на инденторе 6350,58 Н, при этом объем лунки составляет 3,43 мм3.

Фиксация образования лунки выкола прочностномером была также продублирована посредством фотографирования поверхности скважины (рисунок 12).

Обратный расчет физико-механических свойств мраморного блока с привлечением разработанной математической модели, реализованной в виде авторского пакета программ «Индентирование» v 1.0, позволил определить предел прочности при одноосном сжатии стсж - 20,5 МПа и модуль упругости £=4100 МПа, а также получить изолинии смещений и геометрию лунки разрушения посредством обработки результатов в программной среде Surfer (рисунок 13).

^ 1 \ I

а) б)

Рисунок 12 - Фотографии поверхности скважины, пробуренной в мраморном блоке: а) до проведения измерений; б) после проведения измерений.

Сравнительные испытания данного геологического образца стандартным методом на одноосное сжатие показали следующие результаты: сгсж = 18,9 МПа и модуль упругости £=3835 МПа.

Полученные показатели физико-механических свойств испытуемого образца, определенные посредством разработанной методики и стандартным методом весьма близки между собой, что свидетельствует о возможности использования методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, для решения практических задач по прогнози-

Рисунок 10 - Образец мрамора, используемый

для апробации разработанной методики

рованию и управлению геомеханической обстановкой в горных выработках угольных шахт.

В таблице 3 приведено сравнительное сопоставление результатов определения предела прочности горных пород при одноосном сжатии посредством разработанной методики и известного метода Барона - Глатмана, авторы которого предложили использовать для этого следующую зависимость:

асж = 63рГ, &

где <тсж - предел прочности при одноосном сжатии, кГ/см ; рк - контактная прочность материала, определенная методом Барона -

Глатмана, кГ/мм2.

В таблице 3, в отличие от формулы (7), приведенной в оригинальной записи, размерность показателей переведена автором в соответствие с размерностью единиц СИ.

Исследования проводились на образцах из мелкозернистого бетона и включали в себя 20 опытов по вдавливанию каждого инден-тора в 4 образца в соответствии с разработанной методикой и методом Барона - Глатмана. В качестве показателя отклонения полученных значений от величины предела прочности при одноосном сжатии, определенной по стандартной методике, использовался относительный показатель Д, представляющий собой отношение определяемой величины в соответствии с каждым методом к его значению, полученному по стандартной методике.

Из таблицы 3 видно, что разработанная методика обеспечивает оценку прочности горных пород в окрестностях скважины с точностью, значительно превышающей известный метод Барона - Глатмана, при этом между величинами контактной прочности горной породы, определенной методом Барона - Глатмана и разработанной методикой существует четко выраженная корреляционная связь (рисунок 14).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация, представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена актуальная научно-практическая задача - повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при оценке прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты работы:

1. Разработано методическое обеспечение для оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, включающее в себя спроектированное устройство «Проч-ностномер ПСШ-1» и пакет программ Индентирование» V 1.0

2. Осуществлена апробация методического обеспечения для оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации «Прочност-номер ПСШ-1» и программного обеспечения Индентирование» V 1.0.

3. Разработана конструкция и изготовлено устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1», позволяющее осуществлять исследование особо крепких горных пород посредством оригинальной конструкции гидроцилиндра (патент на изобретение № 2433266).

4. Предложена и запатентована (патент на полезную модель № 97765) конструкция измерителя деформации и глубины внедрения индентора для устройства «Прочностномер ПСШ-1» с размещением вне скважины, в которой осуществляется проведение исследований.

5. Адаптирована к условиям скважинных измерений и реализована на ЭВМ в виде пакета программ «Индентирование» V 1.0 математическая модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, обладающая меньшей ресурсоемкостью компьютерных вычислений по сравнению с известными программными решениями посредством авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ.

6. Осуществлено исследование влияния основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора посредством авторского пакета программ «Индентирование» V 1.0.

7. Результаты диссертационной работы переданы в научно-производственную организацию ООО «ИНГОРТЕХ» для использования в системе локального и текущего контроля состояния горного массива «Микон-ГЕО».

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Корнеев, В. А. Реализация высокопроизводительных методов вычислений в задачах геомеханики [Текст] / В. А. Корнеев // ГИАБ. - 2012. - № 2. - С. 383 - 385.

2. Пугачев, Е. В. Инструментальное определение прочностных и деформационных свойств горных пород в натурных условиях [Текст] / Е. В. Пугачев, В. А. Корнеев // Вестник КузГТУ. -2012.-№6.-С. 50-52.

3. Пугачев, Е. В. Адаптация метода Барона - Глатмана к измерению контактной прочности горных пород в скважинах и техническое устройство для его реализации [Текст] / Е. В. Пугачев, В. А. Корнеев // Вестник КузГТУ. - 2013. - № 6. - С. 63 - 66.

4. Патент 2433266 РФ, МПК Е21С39/00, С0ШЗ/40. Погружной измеритель крепости горных пород [Текст] / Дворников Л. Т., Корнеев В. А. - № 2010110978/03 ; заявл. 22.03.2010 ; опубл. 10.11.2011.-5 с. : ил.

5. Патент 97765 РФ, МПК Е21С 39/00 (2006.01). Устройство для измерения крепости горных пород [Текст] / Корнеев В.А. -№ 2010118862/03 ; заявл. 11.05.2010 ; опубл. 20.09.2010. -2 с.: ил.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012612864 РФ. «Индентирование» V 1.0 [Текст] / Корнеев

B. А. - № 2012610794 ; заявл. 08.02.2012 ; опубл. 22.03.2012. - 1 с.

7. Ванякин, О. В. Технологии и технические решения создания приборной базы для мониторинга прочностных и деформационных свойств горных пород в окрестностях подземных горных выработок [Текст] / О. В. Ванякин, В. А. Корнеев, П. А. Корнеев, П. В. Васильев // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых : сб. науч. статей. - Новокузнецк, 2008. -

C. 116-121.

8. Корнеев, В. А. Донаучные технологии ведения горных работ в свете вопросов определения прочностных и деформационных свойств горных пород [Текст] / В. А. Корнеев, П. А. Корнеев // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : труды всерос. науч. конф. студ., аспир. и молодых ученых. - Новокузнецк, 2009. - С. 45 - 49.

9. Корнеев, В. А. Технические основы реализации механизма контактного разрушения в конструкции прибора для определения прочностных и деформационных свойств горных пород [Текст] / В. А. Корнеев, О. В. Ванякин, П. А. Корнеев // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : труды междунар. научно-практ. конф - Новокузнецк, 2009. - С. 238 - 240.

10. Ванякин, О. В. Оценка влияния стохастичности прочностных и деформационных свойств пород на параметры установки анкерной крепи в подготовительных выработках шахт [Текст] / О. В. Ванякин, Е. М. Жуков, В. А. Корнеев // Энергетическая безопасность России.

Новые подходы к развитию угольной промышленности : сб. трудов XI междунар. научно-практ. конф. - Кемерово, 2009. - С. 200 - 203.

11. Корнеев, В. А. Масштабный эффект и его минимизация в конструкции прибора для измерения крепости горных пород [Текст] / В.

A. Корнеев // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : труды междунар. научно-практ. конф. -Новокузнецк, 2010. - С. 201 - 203.

12. Корнеев, В. А. Устройство для измерения прочности горных пород в окрестности подземных горных выработок [Текст] / В. А. Корнеев // Наука. Технологии. Инновации : материалы всерос. науч. конф. молодых ученых. - Новосибирск, 2010. - С. 282 - 283.

13. Корнеев, В. А. Моделирование процесса разрушения горных пород, слагающих стенки скважины при вдавливании в них индентора [Текст] / В. А. Корнеев // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : труды всерос. науч. конф. студ., аспир. и молодых ученых. - Новокузнецк, 2010. - С. 343 - 345.

14. Корнеев, В. А. Предварительные результаты моделирования процесса разрушения горных пород при вдавливании индентора в стенки скважины [Текст] / В. А. Корнеев // Вычислительный интеллект (результаты, проблемы, перспективы) : материалы первой междунар. научно-тех. конф. - Черкассы, 2011. - С. 445 - 446.

15. Корнеев, В. А. Математическая модель процесса разрушения горных пород при вдавливании индентора в стенки скважины [Текст] /

B. А. Корнеев // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : труды междунар. научно-практ. - Новокузнецк, 2011.-С. 281-284.

16. Корнеев, П. А. Опыт эксплуатации модуля сбора данных МСД-200 в техническом устройстве по определению прочностных и деформационных свойств горных пород [Текст] / П. А. Корнеев, В. А. Корнеев // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника : труды V всерос. научно-практ. конф. - Новокузнецк, 2012.-С. 232 - 235.

РИЦ Горного университета. 21.11.2013. 3.583. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201454300

КОРНЕЕВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТЯХ СКВАЖИНЫ, ПРОБУРЕННОЙ ИЗ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

05.11.13 -Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич

Новокузнецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК........................12

1.1 Обоснование актуальности контроля физико-механических свойств горных пород в натурных условиях.......................................................12

1.2 Анализ лабораторных методов и средств мониторинга физико-механических свойств горных пород.....................................................22

1.3 Анализ методов и средств контроля физико-механических свойств горных пород в шахтных условиях.........................................................24

1.4 Выводы, цель и задачи исследования.....................................................44

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................................................46

2.1 Структурно-методологическая схема исследований............................46

2.2 Планирование исследований...................................................................48

2.3 Методики исследований и описание используемого оборудования........50

Выводы по 2 главе..............................................................................................54

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНАХ.....................................................................55

3.1 Анализ преимуществ и недостатков существующих аналогов проектируемого устройства.....................................................................55

3.2 Технические основы реализации механизма контактного разрушения в конструкции устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах......................................................................57

3.3 Разработка системы сбора данных проектируемого устройства.........66

Выводы по 3 главе..............................................................................................70

ГЛАВА 4 АДАПТАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИНДЕНТОРА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТЯХ СКВАЖИНЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ СЛАГАЮЩИХ ЕЕ ПОРОД........................................................72

4.1 Выбор алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.........................72

4.2 Программная реализация математической модели на ЭВМ................77

4.3 Тестирование математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора................................................................................81

Выводы по 4 главе..............................................................................................91

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТЯХ СКВАЖИНЫ, ПРОБУРЕННОЙ ИЗ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ..................................................93

5.1 Разработка рекомендаций по измерению контактной прочности горных пород в скважинах посредством устройства «Прочностномер ПСШ-1».....................................................................................................93

5.2 Разработка алгоритма анализа диаграммы вдавливания индентора в стенку скважины........................................................................................95

5.3 Апробация методики оценки прочности горных пород в окрестности скважины, пробуренной из горных выработок, устройства для ее реализации и программного обеспечения.............................................97

5.4 Сопоставление результатов определения предела прочности горных пород при одноосном сжатии посредством разработанной методики и метода Барона - Глатмана.....................................................................101

Выводы по 5 главе............................................................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................106

Приложение А Патент на изобретение РФ № 2433266 «Погружной

измеритель крепости горных пород»........................................121

Приложение Б Патент на полезную модель РФ № 97765 «Устройство для

измерения крепости горных пород»..........................................128

Приложение В Свидетельство о государственной регистрации программы для

ЭВМ РФ № 2012612864 «Индентирование» V 1.0...................131

Приложение Г Методика оценки прочности горных пород в окрестностях

скважины, пробуренной из горной выработки .......................132

Приложение Д Акт о проведении апробации методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства «Прочностномер ПСШ-1» и

пакета программ «Индентирование» V 1.0................................135

Приложение Е Рекомендации к внедрению устройства «Прочностномер ПСШ-1», разработанной методики и пакета программ

«Индентирование» V 1.0.............................................................136

Приложение Ж Диплом Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ОУК Южкузбассуголь», полученный устройством «Прочностномер ПСШ-1», разработанной методикой и программным обеспечением «Индентирование» V 1.0 в номинации «За научную новизну».....................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Усложнение горно-геологических условий добычи угля на шахтах, рост нагрузок на выемочные участки, повышение уровня травматизма требуют оперативного управления технологическими процессами с использованием информационной базы данных и знаний, которая регулярно обновляется по результатам визуального и инструментального мониторинга. Важным элементом базы данных являются сведения о параметрах физико-механических свойств горных пород. В этой связи актуальными являются исследования, обеспечивающие достоверность прочностных и деформационных свойств пород.

Низкая надежность, значительная трудоемкость и стоимость лабораторного контроля прочностных и деформационных свойств горных пород способствовали разработке и широкому применению натурных методов, актуальным направлением развития которых является совершенствование систем сбора, хранения, обработки, передачи полученной информации, а также ее интерпретации с привлечением различных математических моделей и статистических методов [1-4].

Одним из перспективных методов контроля свойств пород в натурных условиях является вдавливание индентора в стенки скважины. Наличие четко выраженных корреляционных зависимостей между контактной прочностью, измеряемой посредством внедрения индентора в массив горной породы, и различными прочностными и деформационными свойствами горных пород способствуют использованию данного метода в качестве информативного инструмента экспресс-мониторинга окрестностей подземных горных выработок [5-6].

В отечественной и зарубежной практике разработано много технических средств, реализующих данный метод контроля. Работы по этому направлению

велись как отдельными учеными и практиками, так и различными научно-исследовательскими организациями и вузами (ВНИМИ, ИГД СО РАН, МГГУ, ИУУ СО РАН и др.). Однако, механизм математической интерпретации результатов мониторинга методом вдавливания индентора, соответствующий потребностям горной практики, в настоящее время не доведен до практического применения. При этом выявленные эмпирическим путем корреляционные зависимости между контактной прочностью горной породы и ее другими физико-механическими параметрами, а также применяемые приборы определения контактной прочности, не всегда по уровню надежности соответствуют требованиям горного производства.

В связи с данными обстоятельствами одной из актуальных задач в горной науке и практике является разработка технического устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах методом вдавливания индентора, с привлечением математической модели напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород в скважинах под действием индентора с целью интерпретации показаний прибора и определения предела разрушения.

Работа выполнена по инициативе ООО ЭО Экспертпромуголь в рамках гранта ректора ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы. Повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

Идея работы: повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины достигается записью результатов исследования на съемные носители памяти, использованием для интерпретации показаний прибора математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, а также достижением увеличения

нагрузки на инденторе прибора посредством оригинальной конструкции гидравлического цилиндра.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов и средств контроля прочностных и деформационных свойств горных пород.

2. Обосновать метод вдавливания индентора для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.

3. Провести анализ точности, оперативности и надежности существующих приборов для измерения контактной прочности горных пород в скважинах.

4. Разработать конструкцию устройства для определения контактной прочности пород в скважинах, пробуренных в окрестности подземных горных выработок.

5. Адаптировать к условиям скважинных измерений, реализовать на ЭВМ и протестировать математическую модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.

6. Изучить посредством численного моделирования влияние основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.

7. Разработать методику оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горных выработок.

8. Провести апробацию методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1» посредством интеллектуальной системы сбора данных, а также авторской конструкции гидравлического цилиндра, включающей в себя нагрузочный и бесштоковый поршни, позволяет

фиксировать диаграмму вдавливания индентора на съемные носители памяти и обеспечивает исследование особо крепких горных пород, тем самым повышая оперативность исследований и расширяя диапазон измерения.

2. Математическая модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, обеспечивает интерпретацию показаний устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1», а также сокращает ресурсоемкость компьютерных вычислений по сравнению с известными программными решениями посредством авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ, тем самым повышая оперативность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

3. Методика оценки прочности горных пород в окрестности скважины, пробуренной из горных выработок, в совокупности с разработанным устройством «Прочностномер ПСШ-1» и математической моделью напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, реализованной на ЭВМ в виде авторского пакета программ «Индентирование» V 1.0, обеспечивает оценку прочности горных пород в окрестностях скважины с точностью, превышающей известный метод Барона - Глатмана, нашедший применение на практике.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Повышена точность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством разработки методики, отличающейся синтезом процедур натурного измерения контактной прочности и компьютерной обработки с привлечением адаптированной к условиям скважинных измерений математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород и авторского программного обеспечения.

2. Расширен диапазон определения прочности горных пород в окрестности скважины посредством разработки устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1», отличающегося конструкцией гидроцилиндра, включающей в себя

нагрузочный и бесштоковый поршни, и позволяющей осуществлять внедрение индентора в особо крепкие горные породы (патент РФ № 2433266 от 10.11.2011).

3. Повышена оперативность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством использования авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612864).

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждается результатами лабораторных исследований с использованием стандартных методик, численным моделированием, положительными результатами апробации разработанной методики, устройства для ее реализации «Прочностномер ПСШ-1» и программного обеспечения в условиях Центра коллективного пользования «Материаловедение» СибГИУ, а также рекомендациями к их внедрению, выданными экспертными и научно-исследовательскими организациями.

Личный вклад автора:

1. В обосновании по итогам патентного поиска и литературных источников метода вдавливания индентора как наиболее перспективного и информативного для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.

2. В разработке конструкции устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах с привлечением авторских технических решений.

3. В адаптации к условиям скважинных измерений, реализации ЭВМ и тестировании математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.

4. В изучении посредством численного моделирования влияние основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.

5. В разработке методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

6. В апробации методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения посредством проведения натурного эксперимента.

Практическая ценность работы заключается:

1. В возможности применения методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения с целью оперативного контроля, прогнозирования и управления геомеханической обстановкой в горной выработке, повышения качества проектной документации и проведения профилактических мероприятия по предупреждению аварийных ситуаций в угольных шахтах.

2. В использовании авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ при определении напряженно-деформированного состояния горных пород, с целью сокращения ресурсоемкости вычислений по сравнению с известными программными решениями.

3. В развитии конструкции трехполостного гидравлического цилиндра с нагрузочным и бесштоковым поршнями, для усиления давления в напорной полости по сравнению с давлением подводимой жидкости в условиях рабочего пространства, ограниченного диаметром скважины.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы и техническая документация переданы в ООО «ИНГОРТЕХ» для использования в системе локального и текущего контроля состояния горного массива «Микон-ГЕО». Разработанное автором устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах в совокупности с методикой оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, и прилагаемым программным обеспечением рекомендованы к внедрению на угольных шахтах и разрезах ООО «ВостНИГРИ»,

000 «ЭО Экспертпромуголь», ОАО «СибНИИуглеобогащение», ЗАО «Уралгормаш».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на научно-практических семинарах (г. Новокузнецк 2007-2012), на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: г. Новокузнецк 2008, 2009, 2010, 2012; г. Кемерово 2009; г. Новосибирск 2010; г. Черкассы 2011. На научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ОУК Южкузбассуголь» разработанная методика, устройство «Прочностномер ПСШ-1» и программное обеспечение были отмеч�