автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методики и технических средств определения напряжений в моделях из эквивалентных материалов при исследовании геомеханических процессов

МрфферстфэДтоплива и энергетики Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ^(МЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА

В Н И М И

На правах рукописи

ЗУЕВ Борис Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ • ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МОДЕЛЯХ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.15.11

Физические процессы горного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Государственном предприятии научно-исследовательском. институте горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). .

Ведущее предприятие: АО ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева.

Защита состоится " 7 " И4д/ГЛ 1994 г. в "_/£_" час заседании специализированного Совета Д.135.06.01 при Государств1 ном предприятии научно-исследовательском институте горной геоме: ники и маркшейдерского дела (ВНИМИ) по адресу: 199026, С.-Петер В-26, Средний пр., 82, зал заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института с 9 до 15 час. 30 мин.

Автореферат разослан "27~ " 1994 г.

Научный руководитель: кандидат технических наук .

Глушихин Федор Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Земисев Владимир Назарович

доктор технических наук Тарасов Борис Григорьевич

исх. л ?~32-3

Ученый секретарь специализированно] Совета,доктор технических наук

В.М. Шик

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При дальнейшем развитии горнорудной промышленности растёт объём и удельный вес добычи полезных ископаемых с глубоких горизонтов, что приводит к возрастанию опасности горных ударов, внезапных выбросов угля и газа, потере устойчивости выработок. Для предотвращения этих явлений все большее значение приобретают исследования полей напряжений в горном массива в области расположения выработок. На больших глубинах с ростом напряжений исследования приходится вести при неупругих и необратимых деформациях горного масоива, разрывах его сплошности.

В этих условиях один из наиболее эффективных способов исследования полей механических напряжений основывается на использовании метода моделирования на эквивалентных материалах (ЭМ). Метод позволяет на основе иняенерно-геологичеоких данных разведки смоделировать горный массив с расположенными в нём выработками, ведение горных работ; установить закономерности распределения напряжений в горной массиве и пересчитать их на натурные условия по формулам теории подобия. Более интенсивному и полному проведении таких исследований препятствует низкая достоверность результатов измерений, полученных с помощью применяемых методик и средств, в широком диапазоне моделируемых структурных и деформационных параметров.массива, величйн напряжений и их градиентов; невозможность определения динамических напряжений. Поэтому весьма актуальна разработка методики и технических средств надежного определения напряжений с учётом воздействия всего комплекса, ьишдацих факторов и пригодных для исследования большинства решаемых на моделях геомеханических задач.

Диссертационная работа являетоя итогом исследований, проведенных в соответствии с тематическим планом ВНИМИ в 1984-1990 г.г. по. темам: 0220103000 "Усовершенствовать методику и технические средства изучения горного давления на моделях из эквивалентных материалов с целью расширения области использования метода и разработки теоретических оонов проведения комплексных экспериментов" (ГР № 01850004378); 02933Ш000 "Проведение научно-иооледовательских работ по обоснованию перспективных научных направлений исследований за моделях из эквивалентных материалов и модернизации технических зредств в лаборатории моделирования (ГР Я 01850046327); 0239049000 'Развитие методов физичеокого и математического моделирования и доследования свойств-, состояний и геомеханических процессов в массиве горных пород для обоснования проектных решений при строительстве, реконструкции я эксплуатации шахт отрасли" (ГР Я 01880087566); )292827001 "Моделирование процесса сдвижения на моделях изэквива-

лонтных материалов" (ГР Л 01900051525).

Цолью работы является разработка методики и технических средств надежного определения напряжений в моделях из ЭМ, не искажающих моделируемые процессы в широком диапазоне горно-геологичео-иих и горнотехнических условий.

Основная идея заключается в обеспечении определения статических и динамических няпряжений в моделируемом массиве с заданной точностью за счет подбора оптимальных деформационных, геометрических и функциональных параметров первичных средств измерений и разработке методики их применения в мелкодисперсных средах с упругими и неупругими деформациями при широком диапазоне изменения градиентов исследуемых полей напряжений.

Методы исследований. В работе использован коыплэко методов исследований, включающий изучение и анализ взаимодействия средств определения напряжений и моделируемых горных пород при .воспроизведении геомеханических процессов, составление программ для расчета на ЭВМ основных параметров датчиков давлений и обработки результатов измерений; разработку конструкции датчиков, исследование воздействия на нее влияющих факторов с помощью разработанных методик; оценку точности измерений на оскозз вероятностно-статиотичеоких критериев и проверку работоспособности разработанных оредотв пря исследовании геомеханических' процессов.

Научные положения, вынооиы»^ на зашит.?;

1) увеличение приведенного модуля деформации датчика на базе интегрального тензсмодуля путем подбора его геометрических'и кест-костных параметров по разработанной методике с учетом ограничительных критериев, связанных о влиянием формы датчика, позволяет значительно расширять диапазон моделируемых деформационных параметров массива, пригодных для надежного изучения полей напряжений без существенного искажения исследуемых геомеханических процеооов;

2) степень воздействия статических влияющих факторов на точность определения напряжений сникаетоя до допустимых пределов

( суммарная относительная погрешность не превосходит 10 % на глубине Н более 70 м ) в ЭМ с модулями деформаций, не превышающими удвоенной величины приведенных модулей деформаций ВДГ-2, расположенных в модели в соответствии с разработанными схемами, при этом точность определения экстремумов высокоградиентных полей напряжений превосходит точность прототипов (Д-2, ДТЛ, ДТП). Влияние динамических параметров исследуемых геомеханических процессов не приводит к более чем 5-процентному росту дополнительной погрешности, если максимальная частота их спектров не превышает 750 Гц;

3) во время обрушения основной кровли в опорных зонах модели-уемых очистных выработок протекает колебательный процесс динами-геского перераспределения напряжений с изменением относительной величины их максимальных значений К,,^ на -0,5...+0,8 и расстояния до контура выработки Xj^^ - на -0,3...+0,7т. .

Научная новизна результатов работа заключается в следующем:

1) разработан метод оценки влияния характера распределения исследуемых напряжений и параметров датчика на точность определения их экстремальных значений;

2) разработан расчётно-экспериментальный метод оценки влияния формы и жесткости датчика на точность измерений, основанный на исследовании взаимодействия эквивалентной объемной модели датчика из оптически чувствительного материала с реальными ЭМ;

3) установлена закономерность, связывавшая динамические параметры датчиков и изучаемых геомеханических процессов, исследовано их влияние на точность измерений напряжений;

4) разработан новый датчик на основе миниатюрного тонзомодуля мембранного типа с высокими метрологическими характеристиками для определения напряжений в мелкодисперсных средах;

5) установлено существенное отклонение экспериментальных зависимостей, распределения напряжений в окрестности протяженной арочной выработки в пластичных породах на глубоких горизонтах (уН> 0,7RCih) . полученных в моделях из ЭМ от известных аналитических зависимостей: увеличении KmM 1шах » степени их асимметрии, обусловленной арочной формой контура, зависящих от отношения "yiI/RCm •

Личный вклад автора!

1) постановка задач исследований;

2) разработка методик определения основных параметров средств измерений и их точности с учетом влияния формы и жесткости датчиков;

3) разработка новой конструкции датчика давления на основе современных технологий;

4) проведение экспериментальных исследований фактического воздействия влияющих факторов на точнозть измерений с помощью разработанных методик;

5) установление областей надежного определения напряжений;

6) исследование распределения напряжений и окрестностях протяженных и очистных выработок, анализ z обобщенле полученных результатов.

Достоверностг. научных положений подтверждена большим объемом провэдэнких исследований в ЗС-та объемных, КО плоских моделях из ЭМ, в i Ю призмах тз ЭМ, градуировочныма испытаниями 500 датчиков

давления, результатами вероятностно-статистического анализа.

Научная ценность работы заключается в разработке методов и средств, дозволяющих.с достаточной надежностью исследовать закономерности распределения механических напряжений в моделях из ЭЫ в условиях воздействия комплекса влияющих факторов, используемые при решении широкого круга геомеханических задач.

Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций датчиков, их петрологического обеспечения, позволяющих с незначительными трудовыми и материальными затратами определять напряжения при всех основных моделируемых геомеханических условиях.

Реализация работы. Основные результаты исследований вошли составной частью в "Рекомендации по измерения напряжений в моделях из эквивалентных материалов" (Л.: ЕНИМИ, 1985. - 39 е.), в "Указания по эксплуатации микродинамометров для определения напряжений в мелкодисперсных средах" (Л.: ВНИМИ, '1989- 20 е.). Разработанные методы и средства определения напряжений применяются во ВНИМИ, в ЛВЕИСУ, в ЕВУУ (ЧОФР).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на И Всесоюзном семинаре (Новосибирск, 24 - 26 мая 1988 г.), научно-технических конференциях молодых специалистов в мае 1983 и в марте 1988 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано II печатных работ, в том числе два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, трех приложений, изложена на 140 отр. текста, содержит 35 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе с учетом данных натурных, аналитических и лабораторных исследований анализируются условия применения методик и средств определений напряжений в моделях из ЭМ при решении различных геомеханических задач, процессы искажения ими полей напряжений и изучаемых процессов, надежность результатов измерений.

Результаты исследований этих вопросов содержатся в трудах оте- • чественных и иностранных ученых: Г.Н.Кузнецова, В.И.Барановского, И.Г.Боброва, А.Е.Ольховиченко, А.М.Ильштейн, А.М.Козиной, В.Н.Земи-сева, С.И.Запреева, М.Ф.Шклярского, В.Л.Попова, Ф.П.Глушихина, Д.С. Баранова, Л.Н.Фомицы, Б.Б.Тимофеева, О.Ю.Саммала, Г.В.Рыкова, A.M.

Скойеева, В.З.Хейфица, П.Х.Проиет, Г.Эвердянга, Х.Х.Ээсорга л др.

Анализ методик и средств, применяемых дня получения информации о распределении ыеханичеоках напряжений, необходимой для решения вопросов выбора оптимальных условий отработки аащитных пластов, определения границ опорных зон и зон разгрузки, оценки устойчивости опорных целиков и так далее, показывает, что для исследования всех моделируемых процессов средства измерений должны работать в самой широком спектре горно-геологических и горнотехнических условий. По данный лабораторных исследований вблизи очистных (одиночных и свит пластов), подготовительных (при различных способах охраны) и капитальных выработок напряжения изменялись в диапазоне от 5.Ю-3 до 0,4 МПа (Н = 50-1000' ы, <1 = 1:200 - 1:25). Определение минимальных величин напряжений необходимо для исследования зон разгрузки, оценки границ опорной зоны (с точностью до 5 % от уН), максимальных -для исследования напряженного состояния массива в области расположения максимумов коэффициентов концентрация Кта®(1,1 - 5,3) на раСг-стоянии ХтЛХ= 2-15 см от контуров выработок. В этих областях достигают максимальных значений и градиенты напряжений (6-Ю-3 -9»10~2 МПа/сы). Однако приведенные диапазоны изменения основных параметров эпюр напряжений охватывают лишь часть их возможных значений. Это подтверждают обобщенные данные натурных наблюдений (А.П. Скакун), показывающие, что на угольных пластах'-Кицц может достигать величин 4-6 (Х^х составляет от одной до четыр'ех мощностей вынимаемого пласта), а во вмецавдих породах и рудах - 10-12 (Хгпах = 0,2-1пг). Грздиентй напряжений могут достигать 15 Ща/ы (Л.Б.Фамин). При пересчете на условия моделей этим данным соответствуют максимальные напряжения 3 МПа и градиенты напряжений 6,1 МПа/см ( ¿. -1:200 - 1:50, = 0,55 - 0,60). При горных ударах зарегистрированы периоды волн от долей секунд до 20 с (И.М.Пэтухов), что соответствует (без учета микроударов) максимальным частотам спектров моделируемых процессов 140-210 Гц.

Диапазоны модулей деформация ЭМ составляют от 7 до 1400 МПа, показатели пластичности (Е^ /Е^,) - от 0,1 до 0,9; максимальные размеры зерен среды - до 0,32 ш (Г.Н.Кузнецов, Ы.С.Злотников).

Применяемые методики я средства измерений позволяют получать достоверные результаты в условиях, когда диапазоны изменений давлений, их скоростей, модулей деформаций пород уже гплных диапазонов на 1-2 порядка. За пределами узких диапазонов оредства измерений существенно влияют на.геомеханические процессы, низка достоверность результатов измерений (деформационный метод, одиночные динамометры, динамометрические ялои). Исследование комплексного воздействия влияющих факторов на точность определения напряжений не проводилось, од-

нако установлена низкая надежность результатов измерений при наличии существенных пластических, ползучих деформаций, изменений структуры моделируемого массива. Используемые средства громоздки (не менее 25 мм), что ограничивает возможности детального исследования напряжений, пригодны для изучения только установившихся во времени процессов.

Исходя из поставленной цели и анализа состояния вопроса, в работе решались следующие задачи:

1) разработка методики расчета основных параметров средств измерений, обеспечивающих снижение их искажающего воздействия на исследуемое поле напряжений и результаты измерений;

2) разработка методики исследования воздействия влияющих факторов на точность измерений;

3) разработка датчика с параметрами, близкими к расчётным, на базе новых технических решений, обеспечивающих снижение воздействия влияющих факторов;

4) исследование фактического воздействия влияющих факторов на результаты определения напряжений о помощью разработанных датчиков и оценка суммарной погрешности измерений;

5) исследование возможностей разработанных методик и средств измерений при определении статических, и динамических напряжений в окрестностях выработок при ведении горных работ.

Во второй главе приведены разработанные автором методики расчета основных параметров средств определения напряжений, принципиальные конструктивные решения, позволяющие снизить воздействие влияющих факторов, а также методы оценки их точности и градуировки.

Расширенный анализ измерительных средств, используемых в различных научно-технических областях (механике грунтов, бетонах, сыпучих средах) позволил установить, наиболее перспективное направление их совершенствования при исследовании геомеханическях процессов, связанное с повышением надежности одиночных датчиков давлений с увеличенным рабочим диапазоном. От выбора основных параметров одиночных датчиков зависит степень воздействия на точность измерений таких влияющих факторов,■как соотношение деформационных параметров датчика и среды (Ед' /Еэм), изменение температуры (датчика или среды) , пластические деформации среды, частотный спектр исследуемых динамических напряжений, дисперсность среды, влияние боковых напряжений, абсолютные размеры и форма датчика. Воздействие остальных факторов (контактные условия, взаимное влияние датчиков, абсолютные . размеры моделей, флюктуация модулей деформаций ЭМ по объему мебели) зависит от методических приемов, используемых при .установке датчиков, совершенства технологических операций при изготовлении ЭМ и мо-

делей. Помимо этих факторов, отдельно исследовалось практически неизученное влияние характера распределения напряжений на точность измерений.

Результаты исследований, полученные Д.С.Барановым, Л.Н.Фоми-цей, Б.Б.Тимофеевым, показывают, что основным фактором, определяго-щим надежность получаемой информации об исследуемых напряжениях, является отношение Ед/Еэм, входящее во все известные формулы для расчета искажений, вносимых однородным датчиком в поле напряжений в среде. В реальных конструкциях деформационные параметры датчика могут резко изменяться по его объему, это делает задачу точной оценки искажений, вносимых неоднородным датчиком, практически нере-шаемой из-за трудностей математического характера. Поэтому в качестве Ед часто используется приведенный модуль деформации (упругости), зависящий от деформационных и геометрических параметров составляющих датчик элементов. Однако предлагаемые Д.С.Барановым и Л.Н.Фоми-цей формулы для определения Ед не позволяют объективно учитывать все элементы датчика, не отвечают физике его взаимодействия со средой.

В данной работе автором предлагается методика расчета Ед по усредненным по рабочим поверхностям датчика их относительным деформациям:

= = (I)

где ¿1 , ¿1 , - соответственно относительная деформация, высота и сечение I -того составного элемента датчика; К - высота датчика, Бд, - полная площадь его рабочей поверхности.

Предложенная методика имеет реальное физическое наполнение, связанное с реальными свойствами датчиков, имеющих чувствительные элементы с жесткостью, уступающей другим элементам конструкций, так как при предложенном способе усреднения деформаций определяющее влияние на величину Ед оказывают саше низкомодульные его элементы, воспринимающие давление окружающей среды.

Подробный анализ воздействия влияющих факторов на точность измерений позволил сформировать систему неравенств, выполнение которых обеспечивает его снижение:

Ед > Е эм

к/Л < 0,1-0,15 I (2)

агэМ-< 0,6-0,7 ' ¿•гэ > Ю с1 з

где (1 и сЦэ - диаметры датчика и его чувствительного элемента, (¿з - максимальный размер зерна среды.

Первые два неравенства связаны с установленными фактами стабилизация погрешности измерений на незначительном уровне (5-20 %) при любых Едм. если модуль упругости плоского датчика превосходит модуль упругости среды (Д.С.Баранов, Л.Н.Фоыяца, Г.В.Рыков); третье -со снижением влияния пластических деформаций при расположении чувствительного элемента по центру датчика, вдали от его краев (Л.Н. Фомица, П.Х.Промет); четвертое - с необходимостью получения представительных и воспроизводимых результатов измерений в зернистой среде.

Последнее неравенство позволяет установить связь базы измерений в натуре с размерами датчика: допустимой базе с1н = 5 м (в низкоградиентных полях напряжений) соответствуют датчики с базой до 2,5 см при оС = 1:200 - 1:20. При исследовании узких высоктрадиент-ных зон вблизи контура выработки для того, чтобы приведенные к условиям натуры значения базы измерений и размеры датчика не превышали 0,5 - I м,-соответствующие параметры датчика не должны превышать 1-1,5 см при условии использования масштабов моделирования от сС = 1:100 до с*! = 1:20.

Анализ критериев подобия при исследовании геомеханических процессов с широким диапазоном моделируемых условий (сС = 1:200 - 1:20, Н = 50 - 1000 м, усрм = 2,7.103 кг/м3) с учетом известных зависимостей изменения максимальных значений коэффициентов концентрации напряжений с увеличением глубины позволил установить полный диапазон измеряемых напряжений: от 5.Ю-3 до 3,0 Ша.

Для выполнения предложенных рекомендаций по повышению точности измерений и снижению воздействия влияющих факторов была разработана схема датчика, приведенного на рис.1. Выполнение системы неравенств (2) предложено обеспечить путем использования малогабаритного плоского гидравлического преобразователя (приемная мембрана - малое Им-, маемый силопередающий слой - измерительная мембрана), расположенного в центре жесткого корпуса.

В соответствии с предложенной методикой определения приведенного модуля упругости датчика (I)- и анализом работы его составных элементов (см.рис.1) установлена функциональная зависимость Ед от геометрических и деформационных параметров элементов:

Ул

V/

Л* Кг

м

¡4«1 N

!

I I

4

Ил

Рис. I

где к'е' - прогибы мембран при единичном распределенном давлении, К - объемный модуль упругости 'силодередающего слоя, Е3 - модуль упругости корпуса.

Принятая схема датчика с учетом неравенств ,(2) реализована путем использования в качестве гидравлического преобразователя металлической приемной мембраны, с ял опе редаицего слоя из эластомера и миниатюрного интегрального тензомодуля мембранного типа из кремния с кольцом жесткости я напыленными тензорезисторани - по автоэпитак-сиальной технологии, расположенного в центре стеклотекстолитового корпуса. Предложенное решение позволило обеспечить высокую жесткость и чувствительность датчика, соответствие параметров датчика их расчетным значениям, уменьшение влияния температуры я боковых нагрузок, стабильность показаний, простую стыкуемость со вторичными измерительными приборами - за счет высокого модуля упругости миниатюрных высокочувствительных интегральных тензомодулей, малоекидаемого силопередаюдаго слоя, введения дополнительного бокового зазора, близости величин коэффициентов линейного расширения материалов датчика и ЭМ.

С целью расширения диапазонов деформационных параметров ЭМ (Еэы), пригодных для надежного определения напряжений (Ед > Еэм) и соответствующих максимальным значениям Ед, была составлена и решена программа (для ЭВМ), с учетом формулы (3), ограничительных критериев - системы неравенств (2) и предельных размеров датчиков при заданных базах измерений. - позволяющая определить параметры 'датчика в рамках принятой принципиальной схемы, обеспечивающие мак-

симум Е.

д*

Для предварительной оценки точности измерении с помощью датчи-

и

ка ВДГ-2, с учетом влияния на неё его формы и жесткости, разработан приближенный расчетно-экспериментальный метод. Он основан на исследовании объемной модели датчика из оптически чувствительного материала в реальных ЭМ и позволяет, в отличие от известных лабораторных методов, изучать объемную, а не плоскую модель, и в отличие от методов аналитических и фотоупругости, учитывать влияние, реальных контактных условий с дисперсной средой (при поправке на масштаб модели) . Проведенные исследования позволили установить, что для датчиков ВДГ-2) в диапазоне Ед/Еэм = 0,3-2 отличив полученных оценок точности измерений и их расчетных значений, найденных по.известным формулам, достигает 15 %.

В третьей главе исследуется фактическое воздействие на разработанные датчики давлений статических, квазистатических и динамических факторов, оцениваются обусловленные ими суммарные абсолютные и относительные погрешности измерений. ■

Для оценки воздействия менее значимых влияющих факторов (абсолютных размеров моделей из ЭМ, боковых составляющих напряжений) была разработана методика экспериментальных исследований, позволявшая путем сохранения области ЭМ. прилегающей к датчику, добиться стабилизации степени воздействия наиболее существенных факторов (по влиянию на суммарную погрешность измерений) - контактных условий и отношения Ед/Еэы, также дисперсного состава и неоднородностей ЭМ. Результаты исследований показали отсутствие статистически значимого влияния боковых напряжений. Аналогичный вывод получен в результате исследования влияния абсолютных размеров моделей при условии, если они превосходили 10 см.

Исследование воздействия температуры в широких пределах (18-33°С) проводилось при нагревании в термостате призм из ЭМ с заключенными в них датчиками и при естественных колебаниях температуры окружающей среды (20+2°С). Для всей партии испытанных датчиков в различных типах ЭМ выявлена только аддитивная составляющая температурной погрешности, не превышающая 0,8.10"^ МПа на 1°С.

Наиболее сильное влияние на точность измерений оказывают контактные условия на границе датчика с окружающей мелкодисперсной средой и соотношение Е^/Е.,,. Уменьшение влияния первого фактора и

Д ош

его стабилизация обеспечивались путем пригрузки модели из ЭМ в области расположения датчиков ( р = 0,01 - 0,03 МПа; р < 0,5£сж) при изучении воздействия всех остальных факторов. Влияние соотношения Ед/Еэм исследовалось при нагружения и разгрузке призм из различных типов ЭМ ( Кп/а = 20 см/10 см) с расположенными в их среднем сечении датчиками.' Фактическая величина Ед определялась при сопоставительном нагружении датчиков и их макетов - с известными де-

формационными характеристиками и идентичной чистотой рабочих поверхностей. Результаты исследований позволили установить, что при условии Еэм < 2 Ед среднеквадратическое отклонение отношения измеренных и истинных напряжений зависит от приложенной нагрузки и при ее изменении от З«10~3 Ша до I МПа изменяется от 0,078 до 0,0157. Величина случайной составляющей этой погрешности определяется, помимо фактора Ед/Едц, контактными условиями, дисперсностью среды, её неоднородностью, неточной ориентацией датчика, проявляющимися в расширении доверительной области расположения истинных значений напряжений. Систематическая составляющая погрешности может быть скомпенсирована введением поправочного коэффициента ^ = 1,025. Диапазон деформационных параметров ЭМ (Е0М), пригодных для надежного определения напряжений для всей партии датчиков ВДГ-2 оказался на 1-2 порядка шире, чем для используемых ранее прототипов, я не опускался ниже 1000 МПа.

Исследование влияния деформаций ползучести и пластических деформаций при изменения коэффициента пластичности p¡, , соответствующем диапазону 0,14 < Et/E0 < 0,83, проводилось при нагруженчи призм аналогично исследованиям воздействия фактора Ед/Еэм. Установлено, что наибольшие деформации ползучести наблюдаются у песчано--слвдо-парафинового материала (ПС-П) с Et/E0 = 0,14. Этот же материал имеет и наибольшие пластические деформации ( p¡, = 0,3+0,9). В нем наблюдались максимальные приращения напряжений, однако их величина, при условии выполнения неравенства Е„„ < 2 Е., не выходила

оМ Д

из границ, определяемых среднеквадратическиы отклонением, обусловленным воздействием отношения Ед/Еэм.

Наиболее важная информация о распределении напряжений при изучении геомеханических процессов может быть получена при проведении измерений в'зонах массива вблизи поверхностей обнажения с максимальными концентрациями и существенными градиентами напряжений. Вследствие отсутствия методик исследования, позволяющих з полной мере учитывать эти факторы, была разработана методика, позволяющая оценить надежность измерений при исследования неравномерных полей напряжений с помощью датчиков ЩГ-2 (№-3). Методика базируется на анализе двух идеализированных схем взаимодействия .датчика и среды -при выходном сигнале с датчика, пропорциональном только среднему значению распределенного по поверхности приемной мембраны давления со стороны среды, и при установленной зависимости сигнала от характера этого распределения без учета влияния на него прогиба мембраны.

Проведенный анализ позволил установить! что реальная погрешность усреднения (интегрирования), обусловленная разницей 6 H3ÍJ и напряжения в точечной области ЭМ вблизи центра мембраны, больше

погрешности, полученной при анализе второй схемы взаимодействия, но не превосходит погрешность при первой схеме взаимодействия (с идеальным усреднением). Величина верхней границы погрешности определяется по разработанной методике путем расчета исходных коэффициентов параболической зависимости (до 4 порядка включительно) по экспериментально полученным коэффициентам зависимости того же порядка при обработке результатов измерений и'максимальной разнице этих зависимостей, На участках линейного нарастания или спада напряжений, вне зависимости от абсолютной величины соответствующих градиентов напряжений, погрешность усреднения отсутствует, но она макоимальна при определении величины экстремумов. Это приводит к завышению <3 язм при определении минимумов и к его занижению при определении максимумов.

Исследование динамических процессов при моделировании горных работ с обрушением кровли, горных ударов, взрывов требует определения возникающих при этом динамических напряжений. Точность измерений зависит от верхней частоты спектра напряжений и процесса взаимодействия волн напряжений в ЭМ с датчиком, обусловливающего погрешность, связанную с дифракцией и инерционностью чувствительных элементов датчика. Дифракционные процессы существенно не влияют на точность измерений, если периоды исследуемых колебаний превосходят продолжительность переходного процесса "ЬЕ= (2 - 2,5)С1/С , где С- скорость распространения воляк в среде (Г.В.Рыков, А.М.Скобеев), что соответствует (при наибольшей длительности переходного процесса) минимальной граничной частоте 2,7 кГц. Динамическая погрешность, обусловленная инерционностью чувствительных элементов, оценивалась в соответствии с ГОСТ 8009-84:

где А (Ш ) и А (0) - амплитудно-частотные характеристика измерительной системы (АЧХ), определяемые, соответственно,, при частоте Ш и в статических условиях (Сь> = 0). Характеристики А ((а)) и А (0) определялись экспериментально при динамическом воздействии на призму с заключенным в ней датчиком ВДГ-2 на установке ВЭДС-200 при частотах от 0 до 500 № и при статическом нагружении призмы. Дополнительно проводились и эксперименты по определению собственной частоты колебаний датчиков, вызываемых ударными воздействиями ( Т = 0,001 с ). Результаты экспериментов показали, что при частотах менее 750 Гц не превышает 5 %, а в диапазоне от 0 до 500 Гц -практически отсутствует, и следовательно, рабочая полоса пропускания измерительной системы в три раза превосходит заданный частотный

диапазон'динамических напряжений (0 - 210 Гц).

Полученные данные свидетельствуют, что использованные для уменьшения воздействия статических влияющих факторов критерии выбора параметров датчика обеспечили не только выполнение поставленной задачи, но и способствовали уменьшению динамической погрешности измерений: минимизация размеров датчика привела к снижению ее составляющей, связанной с дифракцией, а.жесткость - к снижению другой составляющей, обусловленной инерционностью чувствительных элементов из-за повышения их собственной частоты колебаний.

Исследования воздействия влияющих факторов позволили с надежностью Р = 0,95 найти доверительные границы абсолютных и относительных значений суммарных погрешностей (рис.2,а) при исключенной систематической составляющей погрешности = (3 ИЗМЛ5 ист = 1.025:

= ± 1,97'10"3\|б1,4б 2 + 0,0882 (Ша); (5)

= ± 1,97« Ю-3 \] 61,4 + 0,0882/ Ог . (6)"

Рис, 2

Решение этих уравнений совместно с известными из теории подобия ( (5М = Ж^сСу&н ) позволило установить зависимости, связывающие масштабы "и моделируемые глубины с фиксированными допустимыми

значениями абсолютных или относительных погрешностей (рис.2,б ):

Н=>1(Д!э Ъ№0-г)/и\о$2,38-ю-") (м); (7)

Н=4з,^2-1<Г7/ (5§э-2,38-Ю-/,) 6>25/^ (м) . <8>

Б формулах (5) - (8) не учитывались погрешности усреднения и взаимного влияния датчиков, так как их численная оценка зависит от конкретных эпюр исследуемых напряжений и принятых схем расположения датчиков.

В четвертой главе рассмотрена методика исследования распределения напряжений и оценки точности результатов измерений в объеме моделируемых пород с учётом взаимного влияния датчиков и градиентов напряжений, установлены закономерности распределения напряжений в окрестности торца протяженной выработки, сопоставляемые с аналитическими решениями, и в опорной зоне очистной выработки при обрушении основной кровля. Сочетание геомехакяческих параметров моделей при решении этих задач соответствовало наиболее тяжелым условиям для надежного определения напряжений.

Детальное исследование механических напряжений с высокими градиентами вблизи выработок требует возможно -более плотной установки датчиков один к другому, что приводит к увеличению их взаимного влияния, искажению исследуемого поля напряжений. Проведенный анализ позволил установить, что если расстояние между датчиками составляет не менее (3 - 5)(1 в одной плоскости и (1,2 - 1,5)<1 - на различных горизонтах, погрешность их взаимного влияния не превосходит I %. Аналогично оценивается и степень искажения поля напряжений в .зависимости от расстояния до ближайшего датчика. Для исследования напряжений в опорных зонах протяженных выработок и в плоских моделях предложена новая схема расположения датчиков, позволяющая повысить детальность исследований, используя факт идентичности эпюр напряжений в параллельных сечениях выработок.

При решении статических и квазистатических геомеханичёоких задач наиболее тяжелые условия для надежного определения напряжений создаются в высокомодульном массиве (до 2 Ед) с пластичными свойствами, и широким диапазоном моделируемых глубин. Подобные условия соответствуют Норильскому месторождению. Для исследования была выбрана объемная модель, на которой воспроизводились такие условия при прохождении арочной выработки. Параметры модели приведены в табл.1.

Исследования проводились в масштабе 1:50 на установке объемного сжатия типа БУ-15 (конструкции Г.Н.Кузнецова). При прохождении выработки с. высотой и пролетом по 5 м ( = 5 м) на горизонте,

Таблица I

омер одела Размеры модели, см ) " сж' Ша К раст' Ша Кизг-№а Еэм' Ша

1287 63x63x63 0,2 0,05 0,07 1000

оответствуицем *уН/Ясж = 0,3, в массиве впереди ее торца образу-, тся зоны концентраций напряжений (до 1,85 "^Н). Зона максимальных онцентраций (1,75 - 1,85)у Н представляет собой узкий вытянутый ллипс с главной осью, расположенной под углом 60° к оси выработки рис.3) на расстоянии (1,0-2,2)К ^ от ее торцевой плоскости, аспределение напряжений в окрестности выработки вне зоны влияния е торца на различных глубинах (Х^/^сж = ~ -'-•42) • воспроизводимых пригружением модели, приведены на рис.4. Анализ полученных

Рис, 3 Рис. 4

ривых показывает, что при увеличении глубины Н значение Ктах умень-илось на 15 %, а Хтах - на 1,64 На рисунке линии I и 2 раз-

,9ляют зоны разгрузки и концентраций напряжений, соответственно ря -уН/Ясж = 0,69; 1,42; линии 3 и 4 соответствуют эксперимен-альному распределению напряжений, 5 и 6 - построены по результатам еоретического решения этой ге задачи в упруго-пластической поста-овке методом конечных элементов по программе для ЭВМ (В.И.Кошелев). ривые 3 и 5 соответствуют = а 4 и 6 - значению 1,42.

равнение кривых доказывает, что существенно больше теоретических 'казались зокы вла'шия выработки (на 20 - 50$), Ктах(на 15 - 150 %),

Хтах (на 20 - 120 %). Более значительным оказалось влияние на распределение напряжений арочной формы выработки, сильнее проявляется его асимметрия относительно горизонтальной плоскости на уровне оси выработки, характеризуемая различным смещением Хта1и разницей К„,1а1 в равноудаленных от этой плоскости точках в теоретических и экспе-' риментальных зависимостях: от 1,2 ^J'B/R сж = 1,42) до 1,6 (уН/Ясж = 0,69). Обработка данных велась по разработанной программе (на ЭВМ)Дополнительные погрешности измерений, связанные с взаимным влиянием датчиков и неточностью определения экстремумов, не превышали соответственно I и 5 %.

При изучении динамических геомеханических процессов наибольшие сложности для надежного- определения напряжений связаны с оценкой их высокочастотных составляющих. В проведенных во ВНШЙ исследованиях самые широкие спектры напряжений зафиксированы при резком обрушении основной кровли. Из серии отработанных моделей в диссертации для подробного анализа была выбрана одна - с параметрами, соответствующими максимальной граничной частоте спектра (табл.2).

Таблица 2

Масштаб модели Прочность основной кровли Я сж. МПа Прочность вышележащей .ТОЛЩЕ ГлуСнш работ Н, и Мощность ОСНОВНОЙ кровли и Мощность пласта т0, ы Мощность вышележащих слоев т1 , м

1:100 30 30 12Ш 10 3 2

Основная кровля в этих условиях обрушилась при первом предельном пролете Ь = 67 м (рис*.5). К моменту обрушения произошло квазистатическое перераспределение напря&ений (в опорной зоне вблиеи разрезной печи Кт£Ц= 3,1; = 7,5 м, а впереди очистного забоя -ктаг = 3.6; Хтп, = 5 м). В момент обрушения кровли информация о ди-

намических напряжениях регистрировалась на свэтолучевоы осциллографе. Анализ осциллограмм показал, что длительность динамического процесса составила 0,1 с. За это время усилилась степень асимметрия кривой опорного давления: ее максимум увеличился на 0,6 уН впереди забоя и уменьшился на 0,24 уН в области разрезной печи. Отклонения Кта1 и Хгоод носили колебательный характер в диапазонах -0,5 < ДКтах<+0,2 , -0,3т. < &Хтаг<+0,7пг - в области разрезной печи -и -0,11 < ЬК-по! <+0,8, -0,1т. < ЛХта1< +0,1т. - впереди забоя.

Разделение временных зависимостей (осциллограмм) выходных сигналов с датчиков, расположенных вблизи поверхностей обнажений, на интервалы по 4 мс позволило определить их спектральные характеристики путем использования программы быстрого преобразования Фурье на

Рис. 5

ЭВМ ЕС 1040. Анализ зависимостей с учетом экспериментально полученных частотных характеристик измерительного комплекса показал, что величина гармонических составляющих с частотами, превышающими 100 Гц, составляет не более I % от величины исследуемых напряжений и, следовательно, надежности определения статических и динамических напряжений в исследованном процессе практически совпадают.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. В диссертационной работе на основе проведенного комплекса исследований разработаны методики и технические средства надежного определения напряжений в моделях из ЭМ, не искажающие моделируемые процессы в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. Актуальность рассмотренной научной проблемы определяется тем, что существующие методы и средства позволяют надежно исследо-"вать только установившиеся процессы в упругих низкомодульных материалах в областях с низкими градиентами напряжений, а это существенно ограничивает возможности исследований методом ЭМ наиболее перспек-

тивных и сложных геомеханических задач, требующих воспроизведения реальных свойств массива и горных работ.

2. Основные.результаты исследований заключаются в следующем:

- разработана методика определения значений всех основных параметров датчика, обеспечивающих его максимальную жесткость с учетом теоретических ограничительных критериев, связанных с влиянием формы датчика, и приближенный расчетно-экспериментальный метод оценки фактического влиты формы и жесткости датчика на точность измерений, основанный на исследовании взаимодействия эквивалентной объемной модели датчика из оптически чувствительного материала с реальными ЭМ;

- разработан датчик давления с параметрами, соответствующими расчетным, на базе тензомодуля мембранного типа и новых технических решений, обеспечивающих сочетание минимальных размеров, высокую жесткость и чувствительность, высокую избирательность, стабильность;

- экспериментальное исследование фактического воздействия влияющих факторов на точность измерений с помощью разработанных методик позволило установить эффективность примененных способов его снижения, основанных на подборе параметров датчика из условия обеспечены его максимальной жесткости и новых технических решений, технологий, а также расширение на два порядка области надежного определения напряжений - по их полному рабочему диапазону и диапазону модулей деформаций ЭМ;

- основное влияние на. точность измерений оказывает соотношение Ед/Еэы, изменение температуры окружающей среды; систематическая составляющая погрешности обусловлена только влиянием Ед/Еэм и может быть скомпенсирована введением поправочного коэффициента ^ = 1,025 при условии, если Еэм< 2ВД . Воздействие других-факторов носит случайный характер и проявляется в расширении доверительной области расположения действительных значений напряжений. Влияние характера эпюр напряжений существенно меньше сказывается на точности измерений при использовании ВДГ-2, чем Д-2, ДТ1 или ДТП. Это обусловлено существенно меньшей базой измерений и усредняющими свойствами двух-мембранного чувствительного элемента с с клопе редашкм слоем; динамические параметры датчика улучшаются при выполнении рекомендаций к его статическим параметрам: повышению жесткости и уменьшению размеров, что способствует расширению их рабочего частотного диапазона до 750 Гц и позволяет с запасом "перекрыть" предельные требуемые частоты моделируемых динамических процессов с учетом коэффициентов подобия;

- суммарные относительные и абсолютные А ^ погрешности измерений, обусловленные воздействием Есего комплекса влияющих фак-тороп, в общем случае зависят от величины 'исследуемых напряжений,

цр^ этом с их ростом величина 8? падает, а А г - повышается;

- установленные зависимости моделируемых параметров (Н и <L ) и предельно допустимых значений погрешностей ( SZd или Дха ) позволяют выбирать такие значения Н и <L , которые не приводят к превышена заданных пределов;

- получен ряд новых экспериментальных зависимостей объемного распределения напряжений вблизи торца арочной выработки, отличающихся от теоретических большей шириной зоны ее влияния и более существенной асимметрией, обусловленной асимметричным сечением выработки;

- установлено, что в период обрушения основной кровля наблюдается кратковременный всплеск напряжоний на 0,8уН впереди забоя и на 0,2уН в области разрезной печи при одновременном перемещении максимума кривой опорного давления и увеличение первоначальной асимметрии распределения опорных давлений впереди забоя и в области разрезной печи в результате обрушения;

- в исследованном динамическом процессе обрушения основной кровли на основании анализа спектральных характеристик выходных сигналов с датчиков ВДГ-2 и характера передаточной функции измерительного канала установлено частотное распределение амплитуд гармонических составляющих механических напряжений в опорной зоне. Установлено также, что в исследованном динамическом процессе практически отсутствуют гармонические составляющие с частотами, превышающими

100 Гц.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зуев Б.Ю. Определение внутренних напряжений в моделях из эквивалентных материалов (ЭМ) с помощью микродинамометров // Молодые ученые Северо-Запада горному производству: Краткие тезисы докладов. - Л.: ВНИМИ, 1983. - С.9.

2. Глушихин Ф.П., Зуев Б.Ю., Шклярский М.Ф., Улотников М.С. Измерение напряжений в моделях из эквивалентных материалов // Прогноз геомеханичеоклх процессов и управление горным давлением на шахтах: Сб.науч.тр. - Д.: ВНИЩ, 1985. - С.57-62.

3. Рекомендации по измерению напряжений в моделях из эквивалентных материалов. - Д.: ВНИМИ, 1985. - 39 с.

4. A.c. № 1208486 (СССР) Датчик давления. Авт.изобр. Ф.П.Глуши-хин, Б.Ю.Зуев, М.С.Плотников, М.Ф.Шклярский. Ю 376L414/24-10, заявлено 27.06.84, опубл. 30.01.86, Бкш. JS 4.

5. Зуев Б.Ю. Измерение напряжений в моделях из эквивалентных материалов вблизи горных выработок Ц Методы изучения и способы управления горным давлением в подземных выработках: Сб.науч.тр. - Л.: 1ВНИМИ, 1987. - С.24-28.

6. Зуев Б.Ю. Измероние динамических напряжений в моделях из эквивалентных материалов СЭМ) // Молодые ученые В11И1ЛИ - горному производству; Краткие тезисы докладов. - J1.: БНИМИ, I9B8. - С.8.

7. Зуев Б.Ю. Определение деформационных характеристик датчиков для измерения давлений в мелкодисперсных средах // Проблемы горной геомеханики яри разработке полезных ископаемых: Сб.науч.тр. -Л.: ВНИМИ, 1989. - С. 67-72.

8. Указания по эксплуатации микродинамометров для определения напряжений в мелкодисперсных средах. - Л.: БНИМИ, 1989. - 20 с.

9. Глушихин Ф.П., Шклярский М.Ф., Павлов В.Н., Зуев Б.Ю. Исследование влияния мощности пласта на проявления горного давления// Управление горным давлением в комплексно-механизированных забоях: Материалы 6 Всесоюзного семинара. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989, - С.125-128.

10. Зуев Б.Ю. Динамика изменения напряжений в опорной зоне очистной выработки // Свойства горного массива и управление его состоянием: Сб.науч.тр. - СПб: ВНИМИ, 1991. - С.224-229.

II; A.C. Ä 1778566 Датчик давления. Авт.изобр. Ф.П.Глушихин, Б.Ю.Зуев, В.П.Калинников, Л.А.Дукина. * 462113/10, заявлено 31.10.88, опубл. 30.11.92, Бол. № 44.