автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Научные основы и методы расчета параметров изменения механического состояния и прочности угольных пластов в призабойной зоне

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРВДСТАШЕНШ О ПРОЦЕССАХ НАГРУЖЕНШ, ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В МАССИВЕ

1.1. Выбор показателей, характеризующих протекание геомеханических процессов в массиве (анализ гипотез горного давления)

1.2. Факторы, влияющие на прочностные и деформационные характеристики углей и горных пород при механических испытаниях

1.3. О результатах механических испытаний горных пород и углей на установках трехосного неравнокомпонент-ного сжатия

1.4. Теоретические методы изучения компонент напряжения и деформации горныхд^щрш'^ угольных пластов в массиве

1.5. Постановка задачи исследования, реализация работы, использование результатов

2. ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, ОПИСЫВАЩЕЙ ПРОТЕКАНИЕ

ГЕОМЕХАШЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЪЕМНОГО НАГРУЖЕНШ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА (СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)

2.1. Термодинамическая интерпретация протекания геомеханических процессов в угольном пласте впереди забоев очистных и подготовительных выработок

2.2. Выделение переменных и параметров физической системы угольный пласт в процессе его нагружения в зоне "нетронутого" массива

2.3. Выделение переменных и параметров физической системы угольный пласт в зоне влияния выработки при активном нагружении

2.4. Характер изменения переменных и параметров физической системы угольный пласт в зоне предельных состояний

2.5. Разложение тензора главных напряжений физической системы угольный пласт в различных зонах нагружения

2.6. 0 критериальных условиях для переменных и параметров физической системы угольный пласт

2.7. Выбор характерных стадий протекания геомеханических процессов перераспределения напряжений в угольном пласте в зоне влияния выработки

2.8. Краткие выводы

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕЙ В ОБЪЕМНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

3.1. Обоснование условии нагружения в методике механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии

3.2. Результаты механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии

3.3. Энергетический критерий прочности углей в объемном напряженном состоянии

3.4. Включение параметров вида напряженного состояния в определяющие уравнения механики сплошных сред для описания деформирования углей при объемном нагружении

3.5. Краткие выводы

4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В МАССИВЕ И АНАЛИЗ НАТУРНЫХ

НАБЛВДЕНИЙ

4.1. Физическое моделирование геомеханических процессов, протекающих в угольных пластах и вмещающих породах в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии

4.2. Об экспериментальных наблвдениях особенностей нагружения и разрушения угольных пластов и вмещающих пород вблизи горных выработок

4.3. Составление дополнительных уравнений для оценки изменения механических свойств угольного пласта при влиянии реального объемного нагружения в массиве вблизи горных выработок

4.4. Краткие выводы

5. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ В ОБЪЕМНОМ

НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

5.1. Физические предпосылки и допущения, учитываемые при составлении математической модели физической системы угольный пласт

5.2. Аналитические формулы определения компонент напряжения в породах кровли впереди забоев в объемном напряженном состоянии

5.3. Математическая модель расчета параметров изменения механического состояния и прочности угольного пласта в призабойнои зоне

5.4. Учет влияния горно-геологических факторов на параметры зон предельных состояний угольного пласта в объемном напряженном состоянии

5.5. Краткие выводы

6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ

ВЫБРОСООПАСНОЙ СИТУАЦИИ

6.1. Физические представления о формировании выб-росоопасной ситуации в малопрочном газонасыщенном угольном пласте

6.2. Об оценке изменения механической прочности газонасыщенного угольного пласта в приза-бойной зоне при протекании отдельных стадий формирования выбросоопасной ситуации

6.3. Краткие выводы

ВЫВОДЫ И РЖОМЕБДАЦИИ

Большое место в увеличении энергетических ресурсов нашей страны принадлежит угольной промышленности. Итоги работы отрасоли в 10 пятилетке и основные направления технического развития [I ] свидетельствуют о неуклонном росте технического уровня производства на ближайшую перспективу.

Однако [I ] "сдерживающее влияние на технико-экономические показатели работы отрасли оказывают увеличение глубины отработки угольных пластов,. рост числа шахт с пластами, склонными к внезапным выбросам, расширение комплексной механизации очистных работ в сложных горно-геологических условиях". Существенно и то, что "перспективный период (1981 * 1985 гг. и до 1990 г.) характеризуется дальнейшим переходом горных работ в более сложные горнотехнические условия разработки угольных месторождений. При подземной добыче угля средняя глубина горных работ возрастает с 450 м в 1980 г. до 485 м в 1985 г., в связи с чем усилятся проявления газодинамических и температурных факторов. Доля добычи угля шахт III категории по метану и сверхкатегорных за 1981 * 1985 гг. возрастет с 60% до 63 + 65%, число шахтопластов, опасных по внезапным выбросам угля, газа и пород, возрастет с 378 до 420". При этом в перспективе (до 1990г.) сохранится удельный вес добычи угля из крутых пластов, доля разработки пластов с труднообрушаемой кровлей увеличится с 20% в 1975 г. до 45% в 1990 г., с неустойчивой непосредственной кровлей - с 36% в 1975 г. до 50% в 1990 г., с тектоническими нарушениями - с 16% в 1975 г. до 22% в 1990 г., с газообильностью свыше 10 м3/т - с 26% в 1975 г. до 36% в 1990 г. Приведенные цифры говорят о том,что происходит значительное изменение горно-геологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов.

До настоящего времени большинство известных решений задач геомеханики основывалось на схемах анализа механического поведения твердых тел под нагрузкой, изложенных в классических работах по сопротивлению материалов, теории упругости, пластичности и ползучести, механике сыпучих сред без детального рассмотрения особенностей сопротивления горных пород и массива деформированию и разрушению при реальных условиях объемного нагруже-ния. Использование результатов таких решений при описании механического поведения пород массива было возможно для традиционных горно-геологических условий добычи угля (средние глубины залегания полезного ископаемого, ненарушенные угольные пласты средней мощности, угли с достаточной крепостью ( f > 3) и т,д.).

Однако в связи с изменением горно-геологических условий резко возрастают требования практики горного дела к прогнозированию и предотвращению нежелательных горных явлений, во время которых большие объемы породного массива и угольного пласта значительно деформируются, перемещаются и интенсивно (динамически) разрушаются. Это обстоятельство заставляет создавать и развивать новые теоретические решения, отражающие существенные черты протекания геомеханических процессов деформирования и разрушения угольного пласта, когда действующие нагрузки в значительных объемах угольного пласта и вмещающих пород становятся близкими к предельным (разрушающим).

Методическая часть научного направления, посвященного изучению механических и физических процессов в массиве в сложных горно-геологических условиях, разработана в недостаточной степени. С одной стороны,целенаправленные лабораторные и натурные эксперименты, необходимые для обоснования физических предпосылок для описания явлений, малочисленны, и методы их обработки развиты слабо. С другой стороны, существует значительная сложность при формулировании физических представлений о протекании физических процессов в угольном пласте в сложных горно-геологических условиях вследствие необходимости учета влияния большого числа факторов.

Поэтому исследования, целью которых является создание новых методов анализа геомеханических процессов нагружения, деформирования и разрушения угольного пласта в новых условиях действия нагрузок для решения задач прогноза и предотвращения сложных горных явлений в массиве, актуальны и имеют значительный научный и практический интерес.

Диссертация подготовлена в Институте горного дела им,А.А. Скочинского по научной тематике института, разрабатываемой в соответствии с приказом Министра угольной промышленности СССР от 12/ХП-1975 г. № 495, программой работ на 1976*1980 гг. по решению научно-технической проблемы 0.05.05, утвержденной постановлением ГК НТ СМ СССР от I8/XI-I976 г. В 415 и ЩОП В 16 МУП СССР "Комплексная программа работ по решению проблемы борьбы с внезапными выбросами угля, породы и газа".

Целью работы является создание нового научного направления -теории изменения механических состояний и прочности угольных пластов в призабойной зоне в условиях действия нагрузок, близких к разрушающим.

Основная идея работы заключается в разработке новых методов анализа параметров,характеризующих основные геомеханические процессы нагружения,деформирования, изменения механической прочности и разрушения угольного пласта в призабойной зоне, основанныхна физических положениях об изменении механического состояния и прочности пласта и на закономерностях изменения механических свойств углей при различных видах объемных напряженных состояний.

Научные положения, защищаемые в диссертации, заключаются в следующем:- объемное нагружение угольного пласта под действием нагрузок, близких к предельным, реализуется таким образом в призабой-ной зоне, что вид объемного напряженного состояния изменяется от обобщенного сжатия в глубине массива до обобщенного сдвига в зоне максимальных сжимающих напряжений и до обобщенного растяжения вблизи кромки забоя (несмотря на то, что все три главных надряже-ния ^ бг и являются сжимающими). При этом характер разрушения малопрочного угольного пласта закономерно изменяется от сдвига до отрыва;- физические представления о характере изменения вида объемного напряженного состояния угольного пласта в призабойной зоне позволяют составить программы механических испытаний углей и обосновать необходимый комплекс испытаний углей для трех основных видов объемных напряженных состояний (обобщенное сжатие, обобщенное растяжение, обобщенный сдвиг) для значений параметра Надаи-Лоде ^/6 =+1,-1,0 и всестороннего равномерного начального обжатия от= 0 до б1 =-46,5 МПа ;о о- аналитические соотношения изменения механических характеристик углей от параметров вида объемного напряженного состояния ( jll^ e-Q ) представляют собой новые физические зависимости механических свойств углей в объемном напряженном состоянии. При этом они дают возможность оценивать механические свойства углейв массиве в широком диапазоне изменения глубин залегания угольных пластов. Проведенное физическое моделирование условий объемного нагружения угольного пласта в призабойной зоне на образцах углейв установках трехосного неравнокомпонентного сжатия позволило составить физические соотношения изменения механических свойств угольного пласта вследствие влияния "истории нагружения" (накопления поврежденности). Для аналитического описания используется математический аппарат кинетической теории прочности;- использование новых физических соотношений (уточненной механической модели, энергетического критерия прочности углей, уравнений накопления поврежденности угольного пласта и зависимости масштабного фактора), описывающих изменение механических свойств углей при различных видах объемных напряженных состояний и особенности протекания геомеханических процессов изменения механического состояния и прочности угольных пластов позволили составить математическую модель угольного пласта;- одним из существенных приложений созданной теории изменения механического состояния и прочности угольного пласта в призабойной зоне и составленной математической модели протекания процессов является описание подготовительной стадии формирования выбросоопасной ситуации в малопрочном газонасыщенном угольном пласте на основе выведенных критериев прочности, учитывающих влияние порового давления, характер последовательного разрушения пласта от сдвига до отрыва и неоднородность механических свойств пласта при оценке вероятности процесса.

Научная новизна заключается в установлении новых физических соотношений и физических закономерностей при создании нового научного направления - теории изменения механического состояния и прочности угольных пластов в призабойной зоне.

Новыми физическими закономерностями являются характер изменения вида объемного напряженного состояния малопрочного пласта от обобщенного сжатия в глубине массива до обобщенного сдвига изатем до обобщенного растяжения вблизи кромки забоя и характер разрушения пласта от сдвига до отрыва.

Новыми физическими соотношениями являются зависимости механических характеристик объемного модуля К модуля сдвига G и показателя прочности R mxzx /<53 / от параметров вида объемного напряженного состояния ju.& ж бо ж условие прочности -энергетический критерий прочности углей в объемном напряженном состоянии, учитывающий особенности сопротивления углей деформированию и разрушению при различных видах объемных напряженных состояний.

Отличием полученной математической модели определения параметров механического состояния и прочности угольного пласта в призабойной зоне является то, что она учитывает следующие физические особенности протекания механических процессов в пласте:- пространственный характер напряженного состояния угольного пласта от действия внешних нагрузок;- изменение деформационных и прочностных характеристик в зависимости от вида объемного напряженного состояния и "истории на-гружения" (накопления поврежденности).

Новой физической закономерностью, косвенно подтверждающей физические положения о характере разрушения отрывом малопрочного угольного пласта вблизи кромки забоя, является соответствие размера зоны угольного пласта, находящегося в обобщенном растяжении, и расстояния до зоны максимума газовыделения для газонасыщенного угольного пласта.

Отличием предлагаемых физических представлений протекания процесса формирования выбросоопасной ситуации в призабойной зоне газонасыщенного угольного пласта является выделение трех зон объемного нагружения угольного пласта (обобщенное сжатие, растяжениеи сдвиг) с определенным характером разрушения и раскрытием ориентированных трещин. Новыми физическими соотношениями являются: критерий перехода угольного пласта в зону предельных состояний, критерий перехода угольного пласта в зону объемного нагружения обобщенным растяжением, критерий начала динамического явления, соотношение для оценки вероятности начала динамического явления.

Работа выполнялась в Институте горного дела им.А.А.Скочин-ского в I97I+I98I гг. в лаборатории внезапных выбросов и лаборатории математических методов исследований. Лабораторные исследования проводились на образцах углей и цементах на установках трехосного неравнокомпонентного сжатия Донецкого физико-технического института и Института горного дела им.А.А.Скочинского. Натурные наблюдения проводились на шахтах ПО "Донецкуголь" и ПО "Макеев-уголь".

Автор выражает искреннюю признательность член-корр.АН СССР А.В.Докукину и д.т.н. С.Е.Чиркову за постоянную помощь в работе, академику С.А.Христиановичу и д.ф.-м.наук Р.Л.Салганику за постоянное внимание и плодотворные консультации, член-корр.АН СССР Е.И.Шемякину, проф.,д.т.н. О.Й.Чернову, д.т.н. А.Д.Алексееву и инж. Г.А.Старикову за большую помощь при проведении экспериментов и обсуждение отдельных положений работы, а также признательность сотрудникам лаборатории математических методов исследований М.Н.Цырульникову и Е.В.Курковой за программирование и получение численных решений разработанных геомеханических задач на ЭВМ EC-I022.

Основной текст диссертации изложен на 373 страницах, вкшочающи 276 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 20 таблиц и список использованной литературы из 272 наименований.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В настоящей работе обоснована необходимость создания нового научного направления - теории изменения механического состояния и прочности угольного пласта в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии при действии нагрузок, близких к разрушающим. Эта теория предназначена для анализа параметров процессов и явлений, которые протекают в призабойной зоне малопрочных нарушенных угольных пластов при подземной добыче угля. При разработке основных положений нового научного направления доказана его актуальность, развиты физические и механические представления о процессах объемного нагружения, деформирования и разрушения угольных пластов, получены и учитываются в математической модели расчета параметров, описывающих изменение равновесного состояния угольного пласта в призабойной зоне, новые физические закономерности и соотношения, отражающие особенности изменения механических свойств утлей и угольных пластов от вида объемного напряженного состояния и накопления степени нарушенности при приближении к забою.

2. Установлены новые физические закономерности объемного нагружения угольного пласта в призабойной зоне:

- в зоне предельных состояний вид напряженного состояния изменяется от обобщенного сдвига до обобщенного растяжения. Характер разрушения при этом изменяется от сдвига до отрыва;

- на участке нагружения от зоны "нетронутого" массива до зоны предельных состояний вид напряженного состояния изменяется от обобщенного сжатия до обобщенного сдвига (при реализации геостатического напряженного состояния в "нетронутом" массиве) и остается обобщенным сдвигом (в частном случае реализации равномерного объемного сжатия в зоне "нетронутого" массива).

Обоснованность выдвинутых физических положений об изменении главных напряжений объемного напряженного состояния угольного пласта в призабойной зоне подтверждается экспериментальными исследованиями углей на установках трехосного неравнокомпонентного сжатия при моделировании объемного нагружения призабойной зоны угольных пластов, натурными наблюдениями геомеханических параметров вблизи выработок. Физические представления о характере изменения вида объемного напряженного состояния позволили получить соотношения для прогнозирования вида разрушения пласта вблизи выработок от сдвига до отрыва в зависимости от изменения механических свойств угольного пласта в условиях объемного нагруженш

3. Получены новые физические соотношения при изучении механических свойств углей в объемном напряженном состоянии. Установлены зависимости объемного модуля К и модуля сдвига G- от параметров вида объемного напряженного состояния ju и <5^ ; выведена аналитическая зависимость для показателя прочности R 3 пгазс

I ( <5- - величина максимального сжимающего напряжения): з

К = ^ S , к сж , ^ кр + (i-j,;) Hvs ; е = ^ yv - я* - «-St) i

3 = ^ - ^г1^^ * , где Ксж = К ( при yv = +1), Кр = К (при jt^. = -D.^ = К (при jj = 0) и т.д. Структура формул, описывакщш зависимости К , , К , & ж т.д. от изменения параметра сж р сг , одинакова. Поэтому в настоящей работе приводится только одно соотношение вида: = при = ^о max ^

- [КсЖ (при = <r ^ ; -Коу( (при .Г = О)] в

4. Разработан новый энергетический критерий прочности углей в объемном напряженном состоянии, учитывающий особенности сопротивления углей деформированию и разрушению при различных видах объемных напряженных состояний : л -с м 1л/ + и ш + (i-ii^)W ,

Z cm z S^cr Р 1 ' c$s > где W<*=J. <ПРЕ ?yV =

-1), „^f'^de,- (при а ^ =0) - суть предельные рабо о ты сил формоизменения при деформировании соответственно при видах объемных напряженных состояний обобщенного сжатия, обобщенного растяжения ж обобщенного сдвига. Энергетический критерий прочности углей представляет собой новую физическую зависимость и имеет самостоятельное значение в механике деформируемых сред и в теории прочности твердых тел.

5. Результаты экспериментальных исследований механических свойств углей и полученные зависимости внедрены в промышленность Разработан вычислительный алгоритм к программе на ЭВМ ЕС-ГО22. Алгоритм и программа сданы в Государственный фонд алгоритмов и программ (П00 5065, алг. и прогр., инф.бюлл. I, 1982) и в Отраслевой фонд при МУП СССР (№ 262 от 2.07.81). Они используются в научно-исследовательских работах ДонФТИ АН УССР, Тульского политехнического института, Сибирского металлургического института и в учебном процессе ряда ВУЗов. Разработана методика прогнозирования прочности углей. Она утверждена в МУП СССР в 1980г. и используется в работах ВостНИЙ, ВНЙИгидроугля, Шахтинского филиала Новочеркасского института и других организациях.

6. Разработана математическая модель расчета параметров изменения механического состояния к прочности угольных пластов в призабойной зоне. Основными её отличиями являются:

- учет изменения механических свойств углей и горных пород в зависимости от вида объемного напряженного состояния в массиве;

- учет влияния степени нарушенноети угольного пласта на его механические свойства в зависимости от расстояния до забоя в объемном напряженном состоянии.

На основании полученных численных решений изучено влияние глубины разработки и механических свойств угольного пласта на параметры горного давления.

Закономерности изменения характера разрушения угольных пластов в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии позволили выделить различные стадии механического нагружения газонасыщенного угольного пласта при формировании выбросоопасной ситуации.

7. Результаты исследований изменения механического состояния и прочности угольных пластов в призабойной зоне внедрены в промышленность, Разработана и утверждена в МУП СССР методика расчета параметров прочности и размеров зон предельных состояний угольных пластов вблизи выработок. Она используется в ВостНИИ при расчете протяженности зон предельно-напряженного состояния. Алгоритм и программа расчета напряжений в породах кровли сданы в ГосФАП (П00 4934, алг. и прогр., инф.бюял. 6, 1981) и ОФАП (№ 261 от 19.02.81] и используются в работах ДонФТИ АН УССР, ТЛИ, Сибирского металлургического института, ВНИИгидроугля.

Научные разработки по изучению механического состояния и про* ности угольных пластов рекомендуется использовать на стадии проектирования схем проведения горных работ и при разработке методов прогнозирования устойчивости горных выработок.

Разработанные критерии изменения механического состояния газе насыщенных утольных пластов при протекании подготовительной стадш явления внезапного выброса угля и газа рекомендуется использовать при совершенствовании методов прогноза динамических явленш.

1. Разработка предложений к основным направлениям научно-технического прогресса в добыче угля на 1990г. (1. редакция). Отчет. 0120080005, инв. Б 866266, М., ИГД им.А.А.Скочинского, Рудинкин Ю.А., 1980, 299.

2. ПРОТОДЬЯКОНОВ М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. Часть I, М. : Госгортехиздат, 1930, 30 с.

3. ШПАКЕЯЕР Г. Основная проблема горного давления. В кн.: Вопрс сы теории горного давления. М.:Госгортехиздат, 1961, с.231-241

4. ЦИМБАРЕВИЧ П.М. Механика горных пород.М.:Углетехиздат, 1948,184

5. АВЕРШИН С.Г. горные работы под сооружениями и водоемами. М.: Углетехиздат, 1954, 324 с.

6. ПЕТУХОВ И.М. Методы изучения сдвижения горных пород и угля в массиве. М.: Бюро техн.инф.Уральский филиал ВНИМЙ, 1954, 32 с.

7. КАНЛЫБАЕВА I.M. Закономерности сдвижения горных пород в массиве. М.: Наука, 1968, 107 с.

8. МАКСИМОВ А.П. Горное давление и крепь выработок. М.: Недра, 1973, 287 с.

9. ЧЕРНЯК И.Л. Теоретические и экспериментальные исследования устойчивости капитальных и подготовительных горизонтальных выработок. Автореферат дисс.докт.техн.наук. М.: МГИ, 1968, 36 с.

10. ЛАБАСС А. Давление горных пород в угольных шахтах. В кн.: Вопросы теории горного давления.М.:Углетехиздат,1961,с.59-83.12