автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методов и средств определения прочности слоистых и трещиноватых пород применительно к оценке геомеханических процессов

Государственный комитет РСФСР по делам пауки и высшей школы

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ГОРОДИИЧЕВ Геннадий Николаевич

УДК 622.023.2

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СЛОИСТЫХ И ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОЦЕНКЕ ГЕ0МЕХА1ШЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектном и конструкторском институте горного дела и металлургии цветных металлов и на кафедре физики горных пород и процессов Московского ордена Трудового Красного Знамени горного института.

Н а у ч н ы е р у ко вод шел 11: докт. техн. наук, проф. НОВИК Г. Я., : докт. техн. паук, проф. ПОПОВ В. Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф.,ГЛАТМАН Л. Б., канд. техн. наук, доц. МАКАРОВ А. Б.

Ведущее предприятие — НПО «ВИОГЕМ».

Защита диссертации состоится « . » 1992 г.

JЦ

в , час. на заседании специализированного совета

К-053.12.05 в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГОП-1, Москва, Ленинский проспект, 6. - .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М

ОБЩАЯ ШАКГШСГИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное горное производство характеризуется неуклонным ростом глубины горных выработок при постоянно ухудшающихся горно-геологических условиях. В этой связи особо важное значение приобретают вопросы управления длительной устойчивостью конструктивных элементов горных выработок, которые должны обеспечивать высокую надежность эксплуатации месторождений,с одной стороны,и высокую эффективность производства - с другой. Поэтому главная цель горной геомеханики на современном этапе заключается в разработке таких способов л средств управления устойчивостью породного массива, которые могут обеспечить высокую достоверность определения геометрических параметров конструктивных -элементов горных выработок при заданных условиях их эксплуатации.

В последние годы сделан зиач"тельный шаг в решении проблемы обеспечения требуемой устойчивости карьерных откосов, особенно в области совершенствовав'« расчетных методов и схем. Однако результаты использования этих методик не в состоянии гарантировать достаточную надежность прогноза устойчивости, что прежде всего связано с низкой достоверностью исходных данных о свойствах массива, а в отдельных случаях - с несоответствием физических свойств, используемых з расчетах, реальному мзхакизму сдвижения породных массивов. Особенно это касается прочностных свойств прибортового массива, сложенного крепкими трещиноватыми и слоистыми породами.

До настоящего времени для определения прочностных свойств используется лабораторный метод '(по образцам горных пород) с последующим переходом к прочности горного массива посредством так называемого коэффициента структурного ослабления, численные значения которого вычисляют по различным методикам и эмпирически зависимостп. При этом результаты расчетов, выполненных по разным методикам, отличаются друг от друга в некоторых случаях более чем в три раза.

Следует отметить, что в этих методиках и зависимостях используется в основном интенсивность трещиноватости, в отдельных случаях и пространственная ориентации трещин, однако вопрос за- Г -

висимости между ориентацией трещины и прочностью по ней до настоящего времени остался недостаточно полно изученным. Такое положение :е позволяет принимать однозначных решений о прочностных свойствах массива.

Принимая положение, что контакта скальных пород в большинстве своем по условиям механизма сдвижения сласее самих контактирующих пород, можно сделать вывод о том, что устойчивость трещиноватых и слоистых массивов, а также характер и объем деформаций буду* определяться пространственной ориентацией поверхностей ослабления и прочностными характеристиками по ним. Поэтому выявление закономерностей изменения прочности пород по поверхностям ослабления, разработка методов и средств ее определения являются одним из основных путей повышения надежности оценки устойчивости горных выработок.

Исследования, представленные в диссертации, выполнены по плану института "Гипроцветыет" в соответствии с отраслевой научно-технической программой МП-20Г "Создать расчетные методы, инженерные решения и технические средства, обеспечивающие надежное управление устойчгвостыо бортов карьеров'.'

Цель работы заключается в разработке методов й средств определения прочности пород по поверхностям ослабления в реальных условиях их пространственного размещения в массиве, обеспечивающих гэвышеше надежности оценки развития геомехгчических процессов в прибортовом масс/ье.

Идея работы состоит в обеспечении подобия механизма разрушения образцов с поверхностью ослабления в лабораторных условиях механизму сдвижения структурных блоков в массиве путем учета ориентации поверхностей ослабления, качества м состояния контактирующих поверхностей.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и ноэиэ» - установлено, что в слоистых и трещиноватых массивах к основным параметрам, характеризующим устойчивость карьерных откосов, относится комплексный показатель прочности пород по поверхностям ослабления ( новизна которого заключается в учете пространственной ориентации этих поверхностей, и который определяется уровнем максимальных напряжений на плоскости поверхностей ослабления, действующих в направлении тикладываемой нагрузки;

- для определения комплексного показателя прочности пород по поверхностям ослабления ( ^) разработаны методы и испытательно-измерительная аппаратура, новизна которых заключается в возможности создавать на плоскости поверхности ослабления напряженные состояния, характеризуемые сжатием, сдвигом со сжатием, чистым сдвигом и отрывом в идентичных условиях нагружения;

- установлено, что при создании на плоскостях ослабления напряженных состояний, характеризуемых: сдвигом со сжатием, существует два "критических" угла наклона поверхности ослабления (близких к 25° и 60°) к направлению нагрузки, при которых происходит резкое изменение механизма разрушения образцов. При этом в диапазоне углов от 0 до 25° происходит разрушение монолитных компонент образца, в диапазоне углов 25*60° - одновременно частично сдвиг по поверхности ослабления и разрушение монолитных частей, г в диапазоне углов бС-г-ЭО0 - только сдвиг вдоль поверхности ослабления;

- выявлено, что значения "критических" углов ориентации поверхностей ослабления к направлен.® нагрузки, при которых происходит резкое изменение механизма разрушения образцов, определяется сцеплением, углом трекля и геометрическими параметрами шероховатостей контактирующих поверхностей.

Обоснове..шость и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвервдается:

- системным характером теоретических исследований и проведением экспериментальных работ на основе теории планирования экспе- • римента;

- полученными положительными результатами внедрения разработанных способов и устройств в специализированных лабораториях институтов горного дела;

промышленной апробацией предлагаемых рекомевдаций по определению прочности слоистых и трещиноватых горных пород и достигнутой технико-экономической эффективностью.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели использован комплекс современных методов исследований, включающий:

- анализ и обобщение современных достижений в областях исследований прочностных свойств горных массивов и управления устойчивостью карьерных откосов;

- экспериментальные исследования прочности слоистых и трещиноватых пород и параметров шероховатости поверхностей ослабления;

- теоретические исследования с использованием чиыеннчх методов расчета напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта горных пород и устойчивости карьерных откосов, применение теория планирования эксперимента при проведении исследовательских работ и математической статистики при обработке экспериментальных данных;

- математическое моделирование и реализация расчетных моделей на ЭВМ;

- технико-экономический расчет и опытно-промышленная проверка результатов исследований.

Научное значение работы заключается в том, что впервые установлена закономерность изменения.прочности слоистых и трещиноватых пород от- угла наклона поверхностей ослабления в полном диапазон^' одноосных напряженных состояний, создаваемых в идентичных условиях нагружения.

Грактическое значение работы сстоит в разработке средств испытаний и методики определения прочностных свойств слоистых и трещиноватых пород по поверхностям ослабления, позволяющей получать достоверные исходные данные при оценке развития геомеханических процессов в прибортовом массиве.

Реализация выводов и рекомендаций работы на карьерах, ведущих разработку полезного ископаемого в скальных и полускальных породах, позволяет повысить эффективность технологических работ (в основном при постановке борта на предельный контур) за счет надежного прогнозирования и управления геомеханическиуч процессами в массиве пород, влияющих на устойчивость карьерных откосов.

Внедрение результатов работы на стадиях проектных работ и в условиях действующих горнодобывающих предприятий позволяет более совершенно решать проблему улучшения использования природных ресурсов и повысить безопасность ведения горных работ.

Основные рекомендации работы реализованы в следующем.

Разработанные способы и устройства для определения прочности скальных и полускальных пород по поверхностям ослабления внедрены в специализированных лабораториях по изучению состояния горного шссива научно-исследовательских институтов горного дела угольной промышленности и металлургии СССР.

Разработана методика определения прочности трещиноватых и слоистых образцов по поверхностям ослабления, по которой были

_ Ь -

изучены свойства вмещающих пород карьеров "Центральный" комбината "Печенганякель", "Машол" ЗРК "М-экмрлзолото", Златоуст-Ьеловс-кий НПО "Джезказгалцветмсг". Использонание результатов изучения прочности пород на этих карьерах при разработке рекомендаций по параметрам устойчивых уступов, технологии зяоткоски уступов и отработке приконгурных лент позволили получить годовой экономический эффект 147 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались к обсртдались на следующих совещаниях и конференциях: научно-технической конференции молодых специалистов и ученых института "ВНИПИгорцветмет" (Москва, 1936, 1987 годы), Всесоюзной научно-технической конференции "Задачи геологических и маркшейдерских служб предприятий цветной металлургии на 1906-1990 годы" (г.Алмалью, I9B6 г.), IX Всесоюзной научной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов". (Москва, 1987 г.), научном семинаре по горной геофизике (г.Боржоми, 1987 г.), территориальной научно-технической конференции "Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке месторождений Урала" (г.Свердловск, I9d9 г.), научно-технической конференции "Опыт ведения работ по повышению устойчивости уступов и бортов карьеров и использования новой техники в горнодобмввгацей промышленности" (г.Ковдор, 1990 г.), Всесоюзном ноучно-техническом симпозиуме "Основные направления повышения уровня маркшейдерского обеспечения горных'работ, регионального использования и охраны недр и земель на горнодо&'ывзщих предприятиях" (Москве, I99X г.).

Результаты диссертационной работы вошли в отчеты НИР лаборатории горной геомеханики института "Гипроцветмет" и лаборатории физико-механических Свойств пероя и массива ИГД им.А.А.Скочинского и обсуждались на заседаниях секцил НТС института "Гипроцветмет".

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять работ.

Структура и объем работы. Диссертация общи.! объемом 143 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка использованных источников из 102наименований. Основное содержание изложено на 100 страницах машинописного текста, работа включает 6 таблиц и 34 рисунка.

Автор выражает глубокую признательность руководителям диссертационной работы проф., докт.техн. наук Г.Я.Новику и проф., докт. техн.наук В.Н.Попову за полученные знания и навыки ведения науч- 5 -

ной работы, искреннюю благодарность каед.техн.наук Е.В.Несмеяно ву и каед.техн.наук В.В,Пристешу за помощь при выполненли всех отяпов исследований и методическую помощь, благодарит коллектив лаборатории горной геомеханики института "Гипроцвегмет." за оказанную помочь, деловые замечания к предложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Успешное проектирование и эксплуатация конструктивных элементов горних выработок возможны при наличии достаточно надежных методов расчета их параметров, обеспечивающих гарантированную устойчивость при различных геомеханических и технологических процессах,, достоверных сведений о состоянии массива горных пород и . в первую очередь достоверной информации о прочностных свойствах массива.

Изучению состояния породных массивов и развития геомеханических процессов в них, а также созданию расчетных методов оценки устойчивости элементов горнотехнических сооружении посвящены работы известных ученых; Я.И.Барона, А.И.Берона, В.И.Борсца-Номпониеца, И.В.Бакланова, Е.С.Ватолина, Э.Л.Голустяна, А.М.Гальперина, А.Н.Динника, В.Н.Зобнина, А.И.Ильина, Э.В.Каспаряна, Н.Н.Куваева, Г.Н.Кузнецова, Ю.А.Малшицкого, В.Д.Морозова, М.П. Мохначева, Г.Я.Новина, В.Н.Попова, И.И.Попова, С.И.Попова, М.Ы. Протодьяконов, М.А.Ревозова, В.В.Йкевского, Л.В.СаБКОва, В.Д. Слесарева, В.Б.Сагажникова, О.Т.Токмурзина, Ю.Н.Турянцева, И.А. Турчанинова, В.Ф.Трумбачева, А.Б.Фадеева, Г.Л.Фисенко, С.Е.Чирк ва, П.С.Шпакова.

Получение информации о прочностных свойствах слоистых и трещиноватых массивов горных пород, являющейся основой при проектировании устойчивых параметров горных выработок, осуществляется в основном путем исследований представительных проб в ла бораториых условиях. В исключительных случаях проводятся натурн: исследования прочности скальных и полускальных породных призм в естественных условиях залегания.

С целью изучения возможности исследования прочности образцов пород по поверхностям ослабления с использованием стандартных методов и средств испытания проведен ряд экспериментальных работ. Сущность проведения эксперимента состоит в том, что обра

эцы для испытаний пород при сжатии и отрыве подготавливались и испитывались в соответствии с требованиями ГОСТ 2П53.0-7о -~ 21X53.7-75, при этом кавдый образец включал поверхность ослабления, ориентированную под заданным уп-ом d к рабочим торцзм.

Полученные результаты свидетельствуют о том, ч^о как свойства самих поверхностей ослабления, так и их ориентация существенно влияют на прочностные показатели испытанных образцов, а значит ч на поведение пород в массиве. Следует отметить, что, если прочность при растяжении у испытанных пород монотонно увеличивается с увеличением угла наклона поверхности ослабления d , то прочность при сжатии имеет сложную зависимость от угла ориентации поверхности ослабления. Так, при изменении угле наклона поверхности ослабления от 0 до 50° прочность образца уменьшается, а при увеличении его до 55° и выше начинает возрастать и достигает при d = 90° значений, всего на Ib-2ü% меньших прочности образца при о< = 0°.

На наш взгляд, такой харантер изменения прочности образцов при сжатии связан с тем, что при углах наклона поверхности ослабления до 4ó-b0° происходит разруиение образца по поверхности ослабления, при увеличении угла наклона более 50-55° происходит зежим берегов поверхностей ослабления по плоскостям рабочих торцов и начинается разрушение монолитных частей образца, разделенных поверхностью ослабления.

Анализ известных методов и средств определения показателей прочности твердых горных пород, существующих расчетных методов оценки устойчивости породных массивов, а также результатов эке-перименгельных робот по определению исходных данных для проектирования устойчивых горных выработок, позволили сделать вывод о необходимости - изучения прочности слоистых и трещиноватых массивов на специализированных образцах "структурных кеоднороднос-тей", при этом механизм разрушения образцов должен быть реальным и соответствовать поведению структурных блоков в массиве.

•Вследствие этого в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

I. Разработаны способы и испытательно-измерительная аппаратура для определения прочности пород по поверхностям ослабления с учетом различной ориентации этих поверхностей к направлению прикладываемой нагрузки,

2. Исследован характер изменения прочности слоистых и трещиноватых образцоь горных пород в области одноосных нагрузок при изменении угла наклона поверхностей ослабления от 0 до 180°,

3. Определено влияние параметров шероховатости поверхностей ослабления на мехшшзм разрушения слоистых и трещиноввтых образцов пород.

4. Разработана методика проведения испытаний образцов слоистых и трещиноватых пород для определенна их прочностных свойсте по поверхностям ослабления.

Учитывая тот факт, что разрушение природных трещиноватых и слоистых массивов происходит в основном по плоскостям ослабления, наибольшее внимание следует уделять'уровню максимальных напряжений, действующих на плоскости поверхности ослабления, при которых происходит разрушение образца. Поэтому в разработанной методике в качестве критерия прочности трещиноватых пород используется уровень максимальных напряжений, действующих на плоскости поверхности ослабления под углом Ы в направлении действия прикладываемой нагрузки, при котором происходит потеря несущей способности образца:

К - , мпа. ,

где прикладываемая сила (показание силоизмерителя пресса), кИ; площадь поверхности ослабления, см^; Ы - индекс, харак- . теризуюций угол между нормалью к поверхности ослабления и направлением действия силы Р0 , град.

Наиболее ответственным элементом методики проведения испытаний прочности образцов пород, содержащих поверхности, ориентированные под различными углами к рабочим торцам, являются условия и порядок их нагружения. Достоверность результатов определения прочности горных пород по поверхностям "структурных кеодно-родностей" достигается за счет соблюдения реального механизма разрушения двухкомпонентных структур в лабораторных условиях, который зависит от угла ориентации поверхностей ослабления к рабочим торцам образца. Кроме того, напряженные состояния в плоскости поверхности ослабления, характеризуемые сжатием, чистым сдвигом и растяжением, создают в идентичных условиях нагружения.

Из массива горных ^ород отбирают специальные пробы "струк-

- В -

турных неоднородное?ей", из которых изготавливают образцы правильной форма с параметрами, соответствующими требованиям ГОСТ 2II53.0-75 - 2ПЬЗ.?-7Ь. При изготовлении поверхность ослабления в калдом образце ориентируют под требуемым углом к плоскостям рабочих торцов с интервалом 5°. Для образцов кубической или призматической форт поверхность ослабления должна быть перпендикулярна двум боковым торцом. Изготовленные образцы с одинаково ориентированными поверхностями ослабления объединяют в группы.

При проведении испытаний прочности к рабочим торцам образца одноосную нагрузку прикладывают симметрично поверхности ослабления. При этом ширина поверхности нагруяення равна расстоянию от боковой грани образца до следа поверхности ослабления на его рабочем торце (рис. J,a ). После разрушения образца или сдвижения по плоскости трещины фиксируют максимальное усилие на индикаторе силовой машины.

Для удобства обозначения принимается, что угол ориентации поверхности ослабления d изменяется от 0 до 180°. В диапазоне изменения d от 0 до 90° напряженное состояние .по поверхности трещины соответствует сжатию или сдвигу со сжатием, при Ы = 90° - чистый сдвчг, при 90° < с* 4 180° - сдвиг с отрывом или отрыв.

Высокая достоверность результатов испытаний прочности горных пород по поверхностям'контактов обеспечивается за счет более полной идентификации природных напряженных состояний с напряжениями, создаваемыми в образцах при проведении опытов. Это достигается тем, что дополнительно к свободной поверхности одного из рабочих торцов образца асимметрично разрушающей одноосной нагрузке R, прикладывается компенсационная нагрузка Рк , которая создает уровень напряжений в образце, срответствующйй природным (рисДб ). При проведении испытаний с использованием несимметричного нагру-жения образцов, поверхности ослабления которых ориентировали под углом d > 90°, должно соблюдаться соотношение нагрузок

Ро ^ .

Операция по изготовлению образцов с точной ориентацией поверхностей ослабления к их рабочим торцам является достаточно трудоемким процессом. Поэтому была разработана методика проведения ис-

а)

(А. - О - 45°

<7С = 90°

6)

£71=50 - 85°

Рис. 1. Схемы нагруженмя образцов : э -симметричное нагрумение; б -асимметричное негружение

00=95 - 150°

питаний, позволяющая ориентировать не плоскость ослабления по отношению к направлению прикладываемой нагрузки, а результирующее разрушающее усилие относительно этих плоскостей. Для этого из отобранных проб "структурных неоднородносте;'!" изготавливают образцы правильной формы, п которых плоскость ослабления ориентирована под постоянным углом к торцэм, равным 90°, и ь образцах призматической формы параллельна двум произвольным сторонам призмы. Образец помещают в устройство, аналогичное сдвиговому прибору, таким образом, что плоскость поверхности ослабления параллельна нитаей опоре, в грань боковой опоры проходит вдоль следа поверхности ослабления ка торцевой частя образца. Вслед за этим прикладывается по нормали к плоскости поверхности ослабления нагрузка Р, , як торцевой части образца от верхней его грани' До'следа поверхности ослабления перпендикулярно нагрузке Рг прикладывают' нагрузку ^, которое на протяжении всего процесса нлгружений связаны соотношением

рг = Р( -ЦЛ , кН.

Коэффициент пропорциональности остается постоянным

е? процеосе испытаний- и выбирается в зависимости от того как должна быть ориентирована нормаль к плоскости ослабления к поправлению прикладываемой нагрузки Р0 .

Одновременно с действием нагрузок Р, к Рг на площадку от нижней грани образца до следа поверхностм ослабления на рабочем торце в направлении нагрузки Р2 прикладывается постоянная Нагрузка Р*. ,. которой создают в образце напряжения, равные напряжениям;, воздействующим на элементарный объем природного мосси-ва в! изучаемой заде.

Поел б разрупения образца по индикатору силовой мекнны фиксируют максимальные силы Р( и Рг л, зная площадь поверхности ослабления В^р , измеренную до проведения эксперимента, определяют максимальное разрушавшее напряжение

1/Х 'но , И Па.

- и -

При определении прочности контактов горных пород, когда нормаль плоскости ослабления ориентирована под углем , большим 90°, то есть при создании на поверхности ослабления напряжений сдвига с отрывом, нагружение образца осуществляется по схеме, аналогичной предыдущей.

Для осуществления испытаний трещиноватых и слоистых образцов пород по предложенным схемам, позволяющим создавать на плоскости поверхности ослабления напряженные состояния сжатия, едьига со сжатием, чистого сдвига, и отрыва при идентичных условиях нагружения разработан ряд нагрузочных устройств. По принципу распределения относительно поверхности ослабления приложенных к образцу нагрузок устройства условно подразделяются на две группы - симметричного и асимметричного нагружения.

В одном из устройств ширину нагружения рабочих торцов образца симметрично поверхности ослабления устанавливают за счет горизонтального перемещения двух жестких пластин (рис. 2 ). Корпус испытательного устройства выполнен в виде двух жестких угольников, имеющих возможность перемещения относительно друг друга только в направлении прикладываемой нагрузки. Угольники снабжены с внутренней стороны направляющими,- по которым в направлении, перпендикулярном действию нагрузок, перемещаются нагрузочные пластины. Через нагрузочные пластины на рабочие торцы образца передается разрушающее усилие пресса.

Исследование закономерностей изменения прочности пород по • поверхностям ослабления проводилось на образцах, изготовленных из "специальных" проб "структурных, неоднородностей", отобранных на карьерах комбинатов "Беченганикель", "Макмалзолото", Жиреке-нского ГОКа и НПО "Джезказганцветмет". Заготовки для образцов получали путем выбуривания■из проб кернов диаметром 30 или 46 мм при этом направление бурения ориентировали под требуемым углом Р = ^ / 2 - к шискости поверхности ослабления.

При изготовлении образцов кубической формы со сторонами 30,0 ^ I мм или 45,0 - 1,5 мм из пробы выпиливались пластины шириной 30 или 45 мы с таким расчетом, чтобы плоскость поверхности ослабления была перпендикулярна направлению распила. Из полученных заготовок выпиливали образцы правильной кубической формы, для чего делали попарно параллельные пропилы, причем два

Рис. 2. Схема универсальной матрицы: 1-корпус матрицы;2-выдвижные жесткие гаастины;3~образец', 4-поверхность ослабления

из них ориентировали под требуемым углом £)= 5Г / 2 - Л к плоскости ослабления. Расстояния между пераллельньми пропилами устанавливались 30 или 45 мм.

Геометрические размера образцов контролировались в верхней, нижней и средней частях штангенциркулем, параллельность рабочих торцов - кэ индикаторной стойке, а стороны, обращенные к стенкам матрицы, оформляли с допусками соответственно:

при сжатии1 (О^С-ОГ/ 2) - 29,5 1 мм (44,5 + мм),

при растяжении ( 9Г/ 2 ¿с(<сЗГ ) - 30,0 + мм (45,0 + мм).

Лабораторные исследования прочности образцов по поверхностям ослабления выполнялись по плану, являющемуся полным факторным экспериментом и представленному в таблице, где управляемыми переменными являются: сА - угол ориентации поверхности ослабления к направлению нагрузки; Э - площадь поверхности ослабления! ТП - мощность заполнителя трещины.

Полный факторный эксперимент

! 21, К ! 2 1 7 I ¿3 1 ! '

п/п I 1 «х ; Я тп ; о. Б ■ о(Ш Б гп |йБгп

I + - - - + у + -

2 + + - - - - + +

3 + - - - + - +

4 + + + - + - - -

о + - - + + - - +

6 + + - + - + - -

7 + - + + - - + -

8 + + + + + + +

В результете реализации экспериментального плана было установлено, что значимыми выходными переменными являются угол сриен тации поверхности ослабления й и площадь контакта монолитных

компонент обраш $ . Рассматривая в качестве выходной величина

- -

показателя прочности пород максимальные напряжения Я ч , действующие на плоскости поверхности ослабления, мочшо исключить влияние' переменной S « а уравнение регрессии принимает вид

Р>л-Л0 -Л,-с*, г

Так, например, для габбро с прослоями аксинита уравнение регрессии имеет вид:

fVí0 ~ ¿2.5,5 i -0,250(Л ; R25-5y = 33^,02 -5,70iü ; R«-9o -0¿2d ;

В результате экспериментальных исследований по определению прочности пород во поверхностям ослабления '"специальных" образцов 9 типов горных ¡пород Iфиллита с различными прослоями, адино-ды, габбро с ороетши акеинита, диабазы с прослоями кварца, гранаты, мрамор р&адичног® адaera и зернистости, измененные известняки, различна з^раиетьке песчаники) и обработки полученных ре-аулькчюв усшхзаяены зависимости между ышссималышми напряжениям «а даойяоети поверхности ослабления Ял и умом oí между нормаль» к яяаскости погерхлоети ослабления и направлением прикла-днгяемой нагрузки, рис.3. Результаты испытаний показали, что горные породы, нарушенные плоскостями ослабления, проявляют тенденции я снижению прочности с увеличением угла между направлением нагрузки и нормалью к поверхности ослабления. При этом зависимость изменения прочности носит ступенчатый характер, который для закрытых трещин проявляется в следующем:

- при углах сÁ наклона плоскости трещины к горизонту от О до 20-25° поверхности ослабления оказывают незначительное влияние, а прочность образца с трещиной практически равна прочности монолитного образца;

- диапазон углов наклона поверхностей ослабления от 20~2aü до 60° характеризуется интенсивным снижением прочности образца

- 15 -

Ы

30 .60 90 120 150 ISO Угол ориентации поверхности ослабления, Х- » град

Рис. 3. Некоторые результаты определения прочности образцов пород по поверхностям ослабления: « « - филлиты с прослойками пирита (ком-

бинат "Печенганикель");

- - гранит (карьер "Ыакмал");

—•— - кр&сноцветные песчаники (карьер "Златоуст-Бедовский");

--- - адинолы (комбинат "Печенганикель")

..-.К -

и определяется ь начальной стадии одновременном члогиад-'м его разрушением, и сдвижением по поверхности трещины, а в дальнейшем - только сдвижением вдель плоскости трещины;

- в диапазоне углов наклона поверхностей ослабления от Ь0° до 90° интенсивное снижение прочности прекращается и она (с точностью до ВД5) равна прочности на сдвиг; разрушение образцов н этом диапазоне характеризуется только сдвигом плоскости поверхности ослабления;

- при создании на плоскости поверхности ослабления напряженного состояния, характеризуемого отрывом (диапазон углов 9а--180°), с увеличением угла сА наклона поверхности ослабления происходит плавное, в пределах уменьшение прочности.

Для испытанных проб пород было отмечено два "критических" угла с( наклона поверхности ослабления, при которых происходило резкое изменение характера функциональной завис,здости В ,< -= ;/Ч°0 . Это углы близкие к 20° и Ь0°, Такое поведение прочности образцов по поверхностям ослабления в зависимости от углов ориентации этих поверхностей к направлении разрушающей нагрузки объясняется следующим.

При угле наклона поверхности ослабления из диапазона 0-20° совокупность удерживащих сил в зоне контактов превосходит сдвигающие силы, вызываемые приложением к рабочим торцам образца нагрузки, поэтому несущая способность испытываемой пробы определяется прочностью всего образца при сжатии, и практически прочность образца с поверхность» ослабления равна прочности монолитного образца. В этом случае прочность образца по поверхности ослабления оиредеяяется

РЦ - бое - сазсК,

рДе ¿схе- предел прочности монолитного обргнца при одоосном сжатии, Ш1а.

В интерьале углов наклона поверхности ослабления 2о-о0° сдвигающие силы в зоне контактов уравновешиваются силами сцепления и трения по пк-ам шероховатостей поверхностей трещины и соответствует разрушающим напряжениям во всем образце. Поэтому в этой области происходит частичное разрушени. монолитных частей •

образца, а сдв:г::он::о по трсдсю происходит со срезом пиков ше-рохоьатоотск, а ур^шюшю продельного равновесия имеет виц

й - Р" • ^

Ш^оП--

где В" г ■ ..^к . _ константа прочности материала, ЫИа;

Уаг " '

-соз^^Ыс? ; ^ = , К*) = --

- универсальная функция изменения прочности по трещине в зависимости от угла с( (для исследованных пород'к контактов); -

- угол внутреннего трения породы, град ; С - сцепление в породе, Ша; Л , и; . I - соответственно амплитуда (высота), частота и угол наклона шероховатостей поверхностей трещин.

При далькеР.аем увеличении угла наклона поверхностей ослабления к горизонтальной плоскости дагя открытых трещин наступает полной потеря несущей способности, когда выполняется условие

Ц^'-'Ц^-ч) ,

где Ц Ц>' - коэффициент трения по поверхностям неровностей трещин.

стог угол с( для различных типов - испытанных пород и контактов находится в диапазоне 50-65°. Примечательным является тот факт, что для односменных пород и контактов, обладавших адгезионными связями по трещине, прочность в дальнейшем определяется только силами сцепления и равна.

а - -ие_

С* ' •

где - предел прочности при чистом срезе по материалу за-

полнителя трещины или-сцепление по трещине, МПа. 1. В области напряжений отрыва, которые создают на плоскостях закрытых трещин при углах С( наклона этих плоскостей 95-180 ,

- 18 -

предельное состояние образца определяется из вырглшия

гда \\~А иь СбС1 - константа материала, характеризующая геометрические параметры шероховатости трещины; 0 г СОд -45°+1) Вг . - угол г рения по поверхнос-

тям пиков шероховатости; 6Р - предел прочности при одноосном, растякекин материала заполнителя трещины.

На основании выполненных исследований прочности образцов по поверхностям ослабления и установленных закономерностей в работе предложив теоретическая модель учета масштабного фактора при переходе от прочности образца я прочности массива, которая основана на изменении площади контакта берегов открытой трещины большой протяженности в зависимости от угла сдвига фаз.

В диссертационной работе предложена методика расчета параметров устойчивых откосов с использованием показателей прочности пород по поверхностям ослабления с.учетом пространственной ориентации этих поверхностей в реальных породных массивах.

Результаты исследований прочности горных пород карьера "Мак-мал" позволили уточнить параметры устойчивых бортов к уступов на предельном контуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи установления закономерностей изменения прочности горных пород по поверхностям ослабления, заключающееся э разработке методов и средств определения прочности пород с учетом пространственной ориентации поверхностей ослабления к направлению прикладываемой нагрузки и обеспечивающих получение достоверной информации, используемой при оценке геомехошчееких процессов в нрибортовом массиве.

В результате ..сследований бшш сделаны следующие основные выводы:

1. Прочностные показатели горных пород находятся в тесной связи с углом наклона поверхностей ослабления (контакты, наслоения, трепаны и т.д.) к направлению действующих сил.

2. Для получения достоверных значений прочности по поверхностям ослабления и установления ее зависимостей от угла наклона этих поверхностей испытания необходимо производить на специальных образцгж, еключздщях структурные неоднородности.

3. Разработанные способы и устройства для определения прочностных свойств горных пород по поверхностям ослабления позволяют сохранить идентичность условий испытаний при создании в плоскости контакта напряженных состояний, характеризующихся сжатием, сдвигом со сжатием, чистым сдвигом и сдвигом с отрывом, обеспзчпть подобие условий разрушения образцов горных пород ус-лоеням сдшиения структурных блоков в массиве и определить ис-тинкые значения прочности по поверхностям ослабления в образцах горных пород при изменении угла наклона контакта к направлений прикладываемой нагрузки от 0 до 180°.

4. Для квжцого типа контактов горных пород существует своя функциональная зависимость -прочности Вы от угла наклона поверхностей ослабления 0( , в то время как характер зтой функции остается во всех случаях неизменным.

Ь. Функциональная зависимость от о( является полным паспортом прочности контактов при одноосном нагружения, по которому мочено определить суммарную прочность контактов; сцепление по контакту; угол трения по контакту; степень нарушенности контакта; угол неровностей поверхностей контактов.

6. Разработанная методика лабораторных испытаний прочности трещиноватых и слоистых горных пород была использована при изучении прочностных свойств массивов горных пород карьерой "ДО&кмал" (комбинат "Макмалзолото") и "Центральный" (комбинат "Печенгани-кель"), что позволило уточнить углы устойчивых откосов нерабочих бортов, предложить новые схемы заоткоски и конструкции уступов на предельном контуре. Общий экономический эффект от внедрения разработок составил 14? тыс.руб.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

I. Попов В.Н., Несмеянов Б.В., Городничев Г.Н. Пути повыше- 20 -

ши надежности оценки устойчивости горных выработок // Тезисы докладов к Всесоюзной научно-технической конференции "Задачи геологических и маркшейдерских служб предприятий цветной г зталлур-гош на 1936-1990 годы" - Алмалык, Москва, Цвегметлнфорг'ация, 1986. - с. 38.

2. A.C. J5 1330506 СССР. ГЖд С 01 3/24 - S 21 С 39/00. Способ определения прочностннх характеристик образцов горных пород по поверхностям ослабления и устройство для его осуществления / В.Н.Попов, Б.В.Несмеянов, Г.Н.Городничев, В.В.Дристаш

/ Опубл. 15.08.87, Бш. Й 30.

3. Попов В.Н., Несмеянов.Б.В., Городншев Г.Н. Новые способы и средства определения контактной прочности горнах пород // Тезисы докладов к IX Всесоюзной научной конференции "Комплексные • исследования физических свойств горных пород и процессов". - М. I МГИ, 1987. с. 16-17.

4. A.C. й 1425325 ССОР. МКЛ Е 21 С 39/00. Устройство для определения прочностных характеристик образцов горгшх пород по поверхностям ослабленш / В.Н.Попов, Б.В.Несмеянов, Г.Н.Городничев, В.В.Присташ, С.Е.Чирков / Опубл. 23.09.88. Бш. W 35.

5. A.C. JS I44I297 СССР. МКл С 01 29/04. Способ гльтра-звукового контроля материалов / В.Н.Попов, Р.Ш.Бекзантеев,

A.Б.Ч'ачкис, Б.В.Несмеянов, Г.Н.Городничев, Ю.Е.Пастухова / Опубл. 28.10.87. Бш. К 44.

6. Определенно прочности пород по поверхностям ослабления /

B.Н.Попов, Б.В.Несмеянов, Г.Н.Городничев, Г.Я.Новик, В.В.Присташ // Горный журнал. - 1988. - Л 7. с. 47-48.

7. Несмеянов Б.В., Городнпчев Г.Н., Чачкис А.Б. Анализ состояния ir пути повшония устойчивости бортов карьеров цветной металлургии // Горный нурнал. - 1989. JS 10. - с. 26-27.

8. Экспресс-оценка надушаяносги массивов горных пород / Б.В.Несмеянов, И.О.Королэв, А.Б.Чачкпс, Р.Ш.Бекзантеев, Г.Н. Городничев // Цветная металлургия. - 1990. - JS 6. - о. 31-33.

9. Определение прочностных свойств слоистых и трещиноватых пород для оценки устойчивости горных выработок / Б.В.Несмеянов, Г.Н.Городничев, И.О.Королев, А.Б.Чачкпс // Серия "Горное дело": 0бзор.ая информация. ЦНИИщзвтмет экономика и информации. !".. - КШ. 44 с.

10. Городшчев Г.Н. О прочности слоистых и трещиноватых пород // Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому симпозиуму "Гесмаркшейдер-Г' - Ы.; ЦНШцвегмет экономики и информации. - 1991. - с. 117.