автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способа определения характеристик горных пород за пределом прочности применительно к задачам разрушения и устойчивости криволинейных обнажений

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А. Скочииского

На пранах рукописи Едена Генриевна ЛЕЗИ НА

УДК 622.02.023.23:622.023.42.01(>.001.5

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД ЗА ПРЕДЕЛОМ ПРОЧНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ РАЗРУШЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ОБНАЖЕНИЙ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Институте горного дела ям.А.А.Скочияского.

Научный руководитель - '

проф.,докт,техн.наук С.Е.Чирков.

Официальные оппоненты:

дроф, .докт.техя.наук И.В.Баклашов, ланд.техн.наук А.Б.Червяков.

Ведущее предприятие - Всесоюзный научно-исследовательский институт геомеханшш и маркшейдерского деда (ВИШИ),

Автореферат разослан " £6 " МОЛ 1933 г.

Защита диссертации оостоатся " ¿6 " 1992 г.

в $ ч» на заоедашш специализироващюго совета К.136.05.02 ИЭД им.А.А.Скочанского (140004, г.Люберцы Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в секретариата ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г.Люберцы »юсковской обл., ИЩ им.А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета

канд.техн.наук КОМРАКОБ А.Н.

ВВВДЕНИЕ

Актуальность теми. Задача повышения эффективности добычи полезных ископаемых подземным способом и улучшения условий труда шахтеров становится все более актуальной. Это связано с переходом горно-добычянх работ на глубокие горизонты или на участки о более олоашыш горно-геологическими условиями.

Увеличение глубины разработка приводит к изменению геомеха-яачеокого состояния массива вблизи выработанного проотранотва. Под воздействием горного давления увеличивается область предельно-напряженного оостояняя пород пршсоктурной зоны выработки, где проиоходит постоянный процесс хрупко-пластического деформирования, Это приводам к быстрому переходу горных пород за предел прочности, нарушению устойчивости воай зона вокруг выработка, нарушению заданных режимов работы горных крепей.

Также существенной особенностью являвтоя наличие в массиве горных пород в непосредственной близости друг от друга выпуклых а вогнутых обнажений, что может приводить к значительной неравномерности деформаций, к внезапным выбросам угля и газа, изменение эяергоемкооти работ по добыче полезного иокояааиого,проведении выработок. Выпуклая форма обнажения приводит к более быстрому переходу горних пород за предел прочности, к возраотаняю деформаций, увеличению пролетов в кровле пород,потерявших опору, дегазирование угольных пластов. Вогнутые в плано обнажения, наоборот, болао устойчивы и цензе склонны к дегазированию.

Важное практическое значение при решении задач горного производства, связанных о добычей, извлечением в переработкой полезного ископаемого, имеет исследование внвргоемкоотя процесса разруиения ыаооива горных пород. Иооладовакия энергетических характеристик горного массива, деформированного за пределом прочности, позволят одрододзть лута повшаяия &ф$едтивиоота процессов разрушения, способствовать решзшш задача управления состоя-теа маооива горных пород.

Ввсьиа актуалыши яредогавяяетоя оошеогвоз аоелвдовшшэ вопросов овоЗотв горных пород за пределом прочности, влаяяяя

фактора горизонтальной криволияеЯиости обнажения на его устойчивость, а также влияния фактора деформирования за пределом прочности на энергетические показателя разрушения, которое предлагается в настоящей работе.

Целью работа является разработка способа определения характеристик горних пород за пределом срочности применительно к вопросам разрушения и устойчивости криволинейных обнажений.

Основная идея работн состоит в разработке такого метода определения механических характеристик горных пород за пределом прочности, который бы позволял в какой-то степени моделировать процесс деформирования массива горних пород вблизи горннх выработок о учетом податливости их крепи и использовать серийные испытательные мвшны.

Методика исследований предусматривает теоретический анализ оаоообов и орадств для испытаний горных пород после достижения предела прочности, а также горнотехнических условий обеспечения устойчивости криволинейного обнажения и научных концепций по оценке влияния фактора криволинойности обнажения на его устойчивость; экспериментальные исследования показателей деформируемости угля и горных пород после достижения предела прочности, а также влияния вида напряженного состояния п степени дефорш!ро~ вания за пределом прочности па энергоемкость разрушения, теоретическую оценку влияния степени горизонтальной криволинзЯноота обнажения на ого устойчивость.

На зшмту выносятся:

1, Новый способ определения прочностных п дефорлшдаошГых ха^ рактериотик горных пород посла достнковдя предела прочности.

2, Влияние вада н&арязешюго состояния в горной порода гш энергоемкость разрушения.

3, Зависимость степени деформирования за пределом дрочзоста на онерготическае показатели разрушения.

4, Метод учета шшшал отелена горнзояталыюЗ криволапеЕ-кости обнагення на его устойчивость.

Научная новизна работн состоит в следующем:

разработаны л осуществлена аа практшсе ноЕыа способ-е устрой отей для испытания горных пород после достижения "предела прочности, основанныа аа эффекте идтеиоавпого увеличения прочности горних пород при переходе их от одноосного в объеиишу сгатпю;

выявлена закономерность нзмонышя эпоргстичсодих показателей горных пород в завнсшЬоиГот степени ~ах предиархтадьного пластического деформировавши

установлена зависимость энергоемкости разрушения горних пород от ввда напряженного состояния;

разработана математическая модель деформировании единичного объема массива вблизи криволинейного обнажения, позволившая ввести и обосновать понятие коэффициента кривизны обнажения;

установлена теоретически и экспериментально зависимость устойчивости обнажения от ого горизонтальной криволинейное™.

Достоверность разработанных научных положения :i выводов подтверждается достаточно высокой сходимостью результатов испытаний образцов горных пород после достижения предела прочности предлагаемым методом по сравнению с другими существующими методами (сходимость результатов определения основных прочностных и упругих показателей предлагавши методом и в стабиломотре БВ-üX ВНЙМИ составила для (£см 'J0...дал Е - У6...97Я), применением апробированных методов определения энергетических показателен горных пород, использованием при теоретических исследованиях ооповяых положений механика деформирования упругого тела.

Практическая ценность работы. Разработанные новые споооб и устройства позволяют определять прочностные и деформационные характеристики горных пород после достижения предела прочности (включая глубокие стадии деформирования), а также моделировать напряженно-деформированное состояние горной породы вблизи контура горной выработки и при взаимодействии ее с крепью, используя не специальные, "жесткие", а обычные серийно выпускаемые испытательные машины. Полученные результаты применены пря разработке нового метода оценки влияния степени горизонтальной криволинай-нооги обнажения на его устойчивость.

Реализация работы. Результаты работы вошли в "Методику определения деформационных характеристик горних пород после достижения предела прочности", утвержденную в ИГД им, А.А.Скочинского и используемую при лабораторных испытаниях образцов горных пород в ИГД Ail Казахстана, в "Технические предложения но повышению эффективности процеооов разрушения горных пород на основе' оценки их энергетических показателей", а также в рекомендации по рацио-"нольному креплению криволинейных участков горних выработок,внедренные о экономическим эффектом на шахте "Стахановская" ПО "Ка-рагандауголь".

Апробация работц. Основные положения и результаты дноеврта-циояноЯ работы докладывались я обоукдались на X Республиканской конференции колодах ученых и специалистов "Совершенствование тех--

никц и технологии разработки месторождений полезных ископаемых Казахстана" (Алма-Ата, ВДД АН КазССР, 12013 г.), Всесоозной иауч-но-тех/шческой конференции молодых ученых и специалистов уголь-но1'1 промышленности "Система "Человек - машина - среда" в горном дело. Настоящее и будууве" (Москва, ВДНХ СССР, г.), ХП Все-сошзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата, ИГД АН КазССР, 10^0 г.), на научнпх семинарах в ИГД им, А.А.Скочпнского (1390, ЮЛ гг.).

Публикации. По теме диссертационно!! работы опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 авторских свидетельства.

Объем работы, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований, 6 прилокений и содержит 162 страницы машинописного текста, 39 рисунков, 10 таблиц.

С0ДЕР1АШЕ РАБОТЫ

Исследование прочностных а де$юршционных характеристик горных пород в частично разрушенном состоянии, ».е. после достижения предела прочности, позволяет получать необходимую информацию о напряженно-деформированном состоянии массива, нарушенного действием горного давления.

Основным методом исследования свойств горных пород в настоящее врв1.5я являются испытания в лабораторных условиях образцов пород, нагружаемых до достижения продела прочности, совершенно не учитывающие область деформирования за пределом прочности. Для решения многих задач разрушения и устойчивости необходимо иметь полнуо диаграмму "Напряжение - относительная продольная деформация". Для ее получения существующими методами необходимо выполнение условия, при котором "жесткость" испытательной машины или дополнительных устройотв больпе "аесткости" образца.К настоящему времена разработан ряд методов исследования деформационннх своНств угля и горных пород после достижения предела прочности. Вое они оозданн сравнительно недавно, чем и объясняется их значительная незаверпениость, ограниченность в возможностях, трудоемкость. Менее разработана техника испытания образцов пород за пределом прочности, особенно в области остаточной прочности* Поэтому разработка нового простого и надежного, о большими воз-

можностями способа определения деформационных характеристик горных пород после достижения предела прочности является весьма актуальной.

' Совершенствование способов и средств испытаний производится в следующих направление: создание "жестких" испытательных машин, специальных элементов "жесткости" и устройств, обеспечивающих "хеоткоо" испытание. Исследованиями в этой области занимались в ИГД им.А.А.Скочинского, в ЮТ, ВШМ, ДонФТИ и ИПМ АН Украины. Значительный вклад в изучение механических, в том число и запредельных, характеристик горных пород внесли А.Д.Алексеов, К.А.Ардашев, И.В.Ъаоадюв, 3.'Т.Белявский, Б.Д.Брук, В.Р.Вавер-шик, В.В.Виноградов, В.Т.Глушко, И.М.Каргашов, Г.Т.Кирничанский, В.А.Коршунов, Г.Н.Кузнецов, М.Ф.Кунтыш, Б.В.Матвеев, А.Н.Ставро-гин, С.Е.Чирков и др.

Однако, несмотря на имеющиеся достоинства, все применяемые в настоящее время методы определения характеристик горных пород после достижения предала прочности обладают существенным недостатком, а именно: не позволяют в достаточной степени приблизить условия испытания образца к реальным условиям деформирования массива.

Разработанные новые способ и устройства для испытания образцов горных пород после достижения предела прочности позволяют моделировать состояние горной породы на контуре обнажения при взаимодействии ее с крепью горной выработки или на некотором расстоянии от нее.

Суть способа (а.о. & 1441230) состоит в следующем. Образец горной породы 3 помещается внутри "жесткой" раздвижной металлической обоймы 2 (рио. I). Между образцом и обоймой создается зазор для поперечной деформации образца»рассчитываемый по прочностным и деформационным характеристикам горной породи по формуле

и К,

где т> - коэффициент Пуаосояа; 6. - диаметр образца, мм; -прочность порода на одноосное сжатие, ШТа; £ - модуль упругости, МПа; К - коэффициент ааласа, предогаргвдаювдй неконтролируемое разрушение образца (К » 2...3).

Расчетная величина зазора не должна превышать поперечную до-формацию, при которой происходит разрушение образца. При одноосном погружении увеличиваются поперечные деформации образца

б

вплоть до упора в стенки обоймы, и образец переходит в состояние объемного сжатия. ¡Ломонт соприкасания образца о обоймой фиксируется измерительно;! аппаратурой посредством сигналя тензодат-чика 1-1. О степени объемного сжатия можно судить по отклонению стролки контрольного прибора. (Такая схема соблюдает условие "лсосткого" испытания, т.е. упругая анергия, накопленная п элементах конструкции пресса, гасится сначала » образце, а затем в обойма, в результате чего исчезает возможность неконтролируемого разрушения обр!Яца). Посла снятия нагрузки образоц выдерживается нонотороо время до полного распределения напряжений п нем.

Ф

Г

Рис, I. Конструктивная схема устройства для аспытаяия образцов горных порол после яоетйлбная предела прочности яра трехосном слагай:

I - оаорыи* плата; 2 - раэ^вэнад ыв1ахичвокал ойо^м&г 3 - схНмви: 4 - п>'ансои: 5 - нагру-эоодиа; 6 - у:[угл2 ».аоаент; / - втулка; в - ка^у^сч,^! ¿ац.«:ат; 9 - при-юилиоЗ винт; 10, 17 - иаиоалка; II, 13 - стрел- '

кя лм салтм отсчетов г-д ¿.«алан; И - тоио-датчпх

Деформу.роваяив массива горных пород вблизи выработанного пространства зачастую происходят на ллаэво, а ступенчато, через определенные промежутки времени. Поэтому с аельо приближения условия испытания образца я реальным условиям деформлроваяыя 6

массива горних пород способ предусматривает циклическое нагруке-ше образца до и после предела прочности до достижения образцом заданной степени деформирования. Кщдцй цикл повторяет всю вышеизложенную последовательность операций, начиная от установления возможной величины поперечной деформации, т.е. зазора $ , и заканчивая снятием осевой нагрузки. На протяжении всего испытания через определенные интервалы производится фиксирование осопой нагрузки на образец и соответствующих ей значений продольной и поперечной деформаций. Путем раздвижки сегментов обоймы при каждом новом повторном нагружвнии представляется возможным проследить весь процесо перехода образца в разрушенное состояние^

Таким способом можно получить зависимость напряженно-деформированного состояния столбчатого целика. В реальных же условиях шахт деформирование горных пород за пределом прочности вблизи горных выработок происходит иначе. В зависимости от податливости крепи массив горных пород будет разрушаться при различном боковом подпоре и с различными значениями поперечной деформации.

С целью моделирования такого случая деформирования -способ предусматривает применение специальных прижимных винтов, дейст- . вием которых на упругий элемент можно создавать необходимое напряженное соотояниз образца горной породы (а.о. Г? 1654573), В зависимости от типа моделируемой крепи (хваткая или податливая) можно создавать определенную, соответствующую данному типу крепи величину бокового подпора. Действием двух прижимных винтов по другой горизонтальной оси можно создавать напряженное состояние, в котором находится изучавший массив в направлении, параллельном горной выработка.

Последовательность операций при испытании образца по этой схема аналогична вышеописанной, принятой для одноосного испытания. Различие состоит в том, что перед начальным нагружением о помощью прижимных винтов устанавливается необходимый боковой подоор, который фиксируется измерительной аппаратурой. Момент перевода образца в другое напряженное состояние определяется по отклонению стрелки прибора. Таким образом, способ позволяет проводить испытанна в режиме заданных горизонтальных напряжений а заданных значений деформаций по этил осям.

В результате яошлщшя образца горной породы разработанным способом получаем полную характеристику "Напряжение ~ отнссатёль-" лая продольная деформация" (рпо. 2). Анализируя некоторые характерные точка этой зависимости, можно отметить, что разрушение

образца при правильно установленном боковом зазоре происходит сразу после вмполаживания деформационной кривой (т.1). На первом этапе повторного нагружения (участок 2-3 на рис.2) происходит закрытие трещин в разрушенном образце, деформационная кривая при атом полого наклонена. Затем наблюдается упругое деформирование образца, которому соответствует увеличение крутизн« деформационной кривой (участок 3-4). Затем происходит вторичное разрушение образца, которое связано о взаимным перемещением составляющих обраэоц частиц. При атом деформационная кривая выполаживается (участок 4-5). После исчерпания разрешенной поперечно» деформации происходит новое уплотнение образца, о чем свидетельствует увеличение крутизны деформационной кривой (участок 5-6). По точкам перехода образца в большее объемное ожатие (т.5) строим кривую "Напряжение - относительная продольная деформация" образца горной породы. Разработанным способом испытаны образцы угля,

Рио. '¿. Стандартная качественная зависимость. "надряхеняв £ - относительная продольная деформация £"

Анализируя результаты испытаний образцов угля в условиях одноосного и объемного напряженных состояний при б, = 0,2 Ша и = 0,4 Ша, можно отметить, что боковая при грузка оказывает

влияние на упругие и прочностные характеристики горной породы. Так, при увеличении С, с О до 0,2 и 0,4 Ша предел прочности на сжатие (^увеличивается с 23,0 до 25,0 и 30,0 Ша соответственно; модуль упругости Е возрастает о 2,4хЮ3 до 2,7х103 и 3,0х10э МПа.

Остаточная прочность 60СТ , являицаяоя прочностной характеристикой частично разрушенного материала, возрастает при увеличении бокового подпора о 3,0 до 3,7 и 4,5 Ша соответственно, т.э. в 1,2...1,5 раза.

Способ позволяет определять и такую характеристику за пределом прочности, как эффективный модуль деформации £(?)?, , который характеризует остаточную упругость частично разрушенной горной породы. По данным испытаний, этот показатель значительно изменяется в зависимости от степени деформирования за пределом прочности. При превышении предельной деформации в 5...6 раз £ может уменьшаться до 4 раз. При изменении боковой пригрузки от О до 0,2 и 0,4 Ша средние значения увеличиваются от 0,4x103 до 1,1х103 и 1,4х103 Ша соответственно. Показатель потери горной породой упругости, выражаемый отношением В/Е,^ , варьирует для угля в пределах 3...6.

Модуль спада - показатель, характеризующий потерю образцом прочности, также зависит от степени объемного сжатия образца. С увеличением бокового напряжения происходит уменьшение модуля спада: при = О М= 4,9х103 Ша, при = 0,2 МПа М=» 4,бх хЮ3 Ша, при б,= 0,4 Ша М= З,6х103 Ша.

Для сравнения результатов исследований прочностных и деформационных показателей предложенным способом были проведены сопоставительные испытания образцов угля в отабилометре БВ-21 ВНИВД при одноосном и объемных напряженных состояниях при 0; 0,2 и 0,4 Ша. Можно отметить, что стабиломатричвокиэ испытания показывают меньшие значения прочнооти на сжатие, модуля упругоо-ти, остаточной прочнооти и модуля спада. В большей степени разница наблвдается при испытаниях на одноосное скатив, в условиях не объемного сжатия результаты испытаний обойма способами дают аналогичные результаты: показатели Е почти одинаковы ( составляет около 20 Ша при Iр, - 0,2 Ша а около 30 Ша при С, = 0,4 Ша, модуль упрутооти £ составляет около 3,0x10® Ша при » 0,2 Ша и <£,= 0,4 Ша). Остаточная прочность 6всг образцов, испытанных в отабилометре при ¿3 • 0,2 Ша, меньше в 2 раза,

чем (¿сст , полученная предлагаемым способом при том же боковом напряжении. При <?,= 0,4МПа значения Свег отличаются незначительно.

Процесс разрушения горных пород в массиве можно рассматривать с двух точек зрения: во-первых, как целенаправленное разрушение при добыче, во-вторых, как следствие проявлений горного давления. В обоях олучаях изучение энергоемкости процесса равру-швния горной породы эа пределом прочности важно как с точки зрения увеличения эффективности технологических процессов, так и прогнозирования энергетики внезапных проявлений горного давления. Количественная оценка этих процессов состоит в определении таких энергетических характеристик горных пород, как удельные объемная и поверхностная энергии, а также вновь образованная поворхность продуктов дробления,

В практическом плане являотся важным вопрос исследования вли-■ яния вида напряженного состояния, а также степени деформирования массива за пределом прочности (отепени отхима угольного пласта) на энергоомкость разрушения.-

В ЛТД им.А.А.Скочинского на устройстве для испытания образцов горных пород после достижения предела прочности проведены испытания на образцах угля пласта К^д шахты "Стахановская" НО "Карагандауголь", а также песчаника, известняка, мрамора месторождения Газган (Узбекистан). Часть испытаний образцов была выполнена в стабиломатро БВ-21 конструкции ВШ1Ш на мраморе Газ-ганского месторождения. __

С целью определения энергетических показателей горных пород о учетом деформирования за пределом прочности были проведены специальные исследования, цель которых заключалась в определении расхода энергии, идущей на трещинообразование образца на различных стадиях его деформирования. Анализ результатов свидетель--ствует о том, что с увеличением степени объемного сжатия образца возрастает работа, необходимая для его разрушения.Так, при иэмэ-нении б, с 0 до 30 Ша знача кие удельной объемной работы разрушения мрамора увеличивается примерно в 4 раза. Для угля при увеличении С, с 0,2 до 0,4 Ша этот показатель возрастает в 1,4 раза.

Исследования энергоемкости деформирования, и разрушения проводились также на образцах мократа ГО "Новомрамор" (Уэбеквотав) и аргиллита шахты км.Володарского ПО "Свердяовантрацит", приведенных в запредельное состояние в условиях трехосного неравно-компонентного ожатия на установке УПБП ИГМ АН Украины.

Испытанные предварительно при одноосном и объемном нагруже-ниях образцы содержат много невскрытых дефектов. Поэтому образцы подвергались дополнительному дроблении с оценкой на определенных стадиях величины поверхности продуктов дробления."Дроблению подвергались также монолитные, не испытанные образцы. При высоких степенях дробления в приборе ГШ (30 ударов, соответствующих 442 Дж), вскрываются все дефекты в испытанных образцах. Тогда разница в суммарных поверхностях продуктов дробления испытанного при одноосном или объемном сжатии образца и образца монолитного дает величину вновь образованной поверхности при испытаниях до дробления.

Структура исследования заключалась в сравнительной оценке величин вновь образованной поверхности и энергоемкости разрушения в зависимости от изменения соотношений промежуточного и минимального напряжений в упругом состоянии и после достижения образцом предела прочности.

Результаты исследовательской работы по определению энергетических ватрат на разрушение, проведенной в ИГД им. А.А.Скочия-окого совместно о ИЕТМ АН Украины,позволили сделать вывод о том, что с целью минимизации энергетических затрат на разрушение в процессе испытания образца необходимо соблюдать определенное соответствие между минимальной и промежуточной компонентами напряжений. Увеличивая неоднородность напряженного состояния путем локализации деформаций в направлении промежуточной оси бг и снижения минимальной компоненты напряжений, можно значительно снизить энергетические затраты на разрушение.

Анализ результатов дополнительного дробления образцов мрамора, мокрита и аргиллита, испытанных предварительно в условиях "несткого" нагруженид, свидетельствует о том, что цена образования новой поверхности значительно уменьшается с увеличением степени деформирования за пределом прочности. Сравнивая результаты дополнительного дробления монолитного^_и испытанного образцов (рис, 3), можно отметить, что цепа образования"новой поверхности для монолитного образца превышает в несколько раз этот же показатель испытанного предварительно в условиях деформирования за пределом прочности образца.

Установлено, что для получения одной а той яе величины вновь образованной поворхпости для монолитного образца затрачивается работа, намного большая, чей для испытанного предварительно в условиях деформирования за пределом прочности (для мокрита -в 3 раза, для мрамора и аргиллита - в 1,5 раза).

' м

го ви Ю^см.1

Рис. 3. Зависимости вновь образованной поверхности в образце от прилагаемой к «ему работы /1 :

а - тя нокрнта; в - для мрамора (6, 9, 14. 15, 16 - номера образцов); монолитные ооразвц;-двформкроианаый

образец

Теоретическое исследование влияния фактора горизонтальной криволинейности на устойчивость обнажения производилось иа примере единичного объема деформируемого массива, имеющего форму призма о квадратным основанием с размером стороны квадрата а и высотой призмы т . Такую конфигурацию единичный объем деформируемого массива горных пород имеет при прямолинейном обнажении. В случае криволинейного (выпуклого ила вогнутого) обнажения характерным становится объем,у которого верхние грани параллельны, две боковые проходят через центр радиуса кривизны, а два оставшиеся представляет собой цилиндрические поверхности о вертикальной осью, проходящей через центр радиуса кривизны. При переходе к криволинейному обнажению квадратное основание призмы преобразуется в усеченный сектор.

Анализ кинематики деформирования единичного объема деформируемого маосива вблизи криволинейного обнажения по двум горизонтальным ооям позволяет сделать вывод, что деформирование его происходит согласно соотношению

'V

(2)

где е1~ деформация вдоль выработке; ел - деформация поперек ш-12

работки; я, - внешний радиус обнажения; Рг - его внутренний радиус.

Назовем Кн коэффициентом кривизны обнажения. Коэффициент кривизны можно определить как удвоенный тангенс половины угла, под которым видится в плане среднее сечение единичного объема деформируемого массива горных пород.

При выпуклом обнажении единичный объем по мере нагружения по вертикальной оси претерпевает отрицательные по знаку деформации 62 и бд по обеим горизонтальным осям и Кк> 0. При вогнутом обнажении вдоль выработки наблюдаются положительные деформации сжатия £г при отрицательных деформациях растяжения £3 и Кк< 0. Прямолинейное обнажоние, когда вг = 0 и в}>0, характеризуется Кк= 0.

Массив горных пород в начальный момент после проведения в ном выработки продолжает находиться в упругом напряженно-деформированном состоянии. Поэтому и анализ фактора криволиней-ности обнажения на данной стадии его деформирования произведен с позиций теории упругости. Основными положениями теории упругости, применяемыми в горном деле, являются три уравнения обобщенного закона Гука.

Решая эти уравнения совместно с соотношением (2), находим значения несущей способности угольного пласта на выпуклом и вогнутом участках обнажения:

с», =-

(3)

где е1 - относительная деформация по вертикальной оси; - напряжение в направлении поперек выработки.

С учетом боковой реакции крепи выработки йк/) и сил трения формула для расчета несущей способности единичного объема масси-

ва горних пород принимает следующий вид:

1

к** М-

к.-1 е

(5)

где - напряженна от горизонтального сопротивленгзя крепи _вы_-работкн. Ша; / - коэффициент контактного трения; е - отношение мощности пласта к ширине зоны отжима утля, принимаем е= 3.

На основе теоретических положений, обосновывающих понятие коэффициента кривизны обнажения массива горных пород, нами предложен способ испытания образцов призматической формы, позволяющий моделировать условия вблизи криволинейных обнажений (а.с. Ц 155¿149). Этот способ предусматривает автоматическое выдерживание постоянным соотношения £ZA, , принятого для данного испытания образца.

Однако применение такого способа затруднено в связи о отсутствием трехосных гидравлических прессов с автоматической системой регулирования напряжений и деформаций по осям. Поэтому для экспериментального подтверждения зависимости прочности массива горных пород от коэффициента кривизны Кк нами разработаны и испытаны 2 варианта моделей обнажений массива, осуществляемые при помощи устройства с поворотными сегментам и устройства с кольцевыми пуансонами. Первый вариант устройства позволяет моделировать отдельные единичные объемы деформируемого массива горных пород с различными радиусами кривизны; второй - массивы вблизи криволинейных обнажений как совокупность единичных объемов.

Устройство с поворотными сегментами предназначено для моделирования объемов массива горных пород о криволинейными обнажениями (от сильно вогнутого до сильно выпуклого), характеризуемыми коэф|ициентами кривизны Кк~ -0,Ъ4., .I.6Û,

Устройство о кольцевыми пуансонами предназначено для моделирования вогнутых обнажений о К„ = -1,33...-0,22 и выпуклых о Ккт 0,22...1,33.

В результате 'испытаний образцов в двух устройствах были получены зависимости I и 2 лрочнооти на сжатие образца от коэффициента кривизны К„ (рис. 4, а). Можно отметить, что зависимости имеют аналогичный характер. Сравнивая прочность образцов во всем диапазона изменения коэффициентов кривизны, можно заключить, что прочность сильно вогнутого обнажения ( Кк *= -1,0; 47 Ша) выше прочности прямолинейного ( К„ ■ 0; 6CJK « 14 Ша) примерно в S раза, оильно выпуклого ( Кк » 1,5; <otmt u S Ша) - в 6 раз, а последнее слабее прямолинейного примерно в 2 раза.

Раочет нэоущей способности и оценка устойчивости обнаяений осуществлены на примере угольного пласта Kjq шахты "Стахановская" Карагандинского угольного бассейна. Образцы угля, отобранные из этого плаота, допытывались по методике, приведенной во второй главе работы. Испытания производились по схема одноосного саатия о получением основных прочностных и деформационных

показателей в упругой области деформирования и поело достижения образцом предела прочности.

Совмостний анализ экспериментальных кривых I, 2 и зависимостей 3, 4, полученных в результате расчета по формуле (5), позволил получить зависимость прочности криволинейного обнажения относительно прочнооти прямолинейного от различных коэффициентов кривизны ч>'(Км) (рио. 4,6).

Рио. 4. Йзмвиеша параметров , • С, и ч>* в зависимости от коэодя-давата кривизны ой догоняя к„

Используя ату зависимость, можно определить, во сколько раз прочность криволинейного обнажения с известным коэффициентом кривизны больше пли меньше прочности прямолинейного. Для практических целей в одним и необходимым является вопрос крепления горных выработок. Как било рассмотрено выше, величина несущей способности угольного пласта 6, находится в прямой зависимости от горизонтального напряжения с?,, Поэтому рассчитывать боковое сопротивление крепа горной выработка на криволинейном участке можно через нормативное боковоа сопротивление крепи прямолинейного. участка п коэффициент у' по формуле

= Р +(1~и')р

*Р1ПЛ гкр»Ы 1 ^ > «грел« > кри& прям прян

где Р„„,„а - боковое сопротивление крепи, обеспечивающее заданную

"РИМ

устойчивость пласта вблизи прямолинейного обнажения.

Из формулы видно, что необходимо дополнительное усиление крепи наименее прочного выпуклого участка выработки.

Приведенный аналитический и экспериментальный анализ влияния фактора криволинейнооти обнажения на его устойчивость позволяет не только производить расчет бокового сопротивления крепи на криволинейном участке выработки, но и дать практические рекомендации по применению более рациональных мер охраны и крепления этих участков выработок.

Практические рекомендации разработаны для конкретных условий пласта К^ шахты "Стахановская" НО "Каратандауголь" и применены при закреплении сопряжений двух пластовых выработок:

1. Сопряжения южного газодренажного штрека № I К^ о южным газодренажным уклоном К^;

2. Сопряжения северного вентиляционного бремсберга К^ о вен-' тилнционным штреком 23 К^^с, .

Рекомендации заключаются в дополнительном боковом усилении крепи выработок (до 1,4 раза) со стороны выпуклых, обнажений. На таких участках уотановлани дополнительные (ЗС$ по сравнению о прямолинейным участком) ножки рамной крепи из спецпрофиля о тщательной забутовкой зарамного пространства.

На большой глубине (около 700 м) выпуклые участки сопряжений выработок необходимо несколько раз перекреплять за.время их существования, что связано со значительными (до 200 руб/м) материальными затратами. Наблюдения за состоянием сопряжений выработок, где установлена дополнительная крепь, показали возможность оншвияя объемов ремонтных работ по переяреплвшао выпуклых участков сопряжений выработок на 10.,.20#. При отом ожидаемый экономический эффект может соотавить до 40 руб/м,

ЗАКЛШЫМЕ

В диссертационно* работе дано новое решенио актуальной научной а практической задачи,представляющее собой разработку способа определения прочностных и деформздионньж характеристик угля £ горних пород после достижения предела прочности, исследования энергетических показателей разрутаеши горных пород,продоаратель-

1й

но деформированных за пределом прочности,а также криволинейности обнажений и ее влияния на устойчивость массива. Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработан и осуществлен на практике новый способ "жесткого" испытания горных пород (а.с. )'» 144123(3), основанный на задании образцу определешюй величины поперечной деформации и позволяющий моделировать напряженно-деформированное состояние горной породы вблизи контура горной выработки, а также работу системы "крепь - массив".

2. Созданные устройства для реализации нового способа и методики испытаний (а.о. № 1654573) позволяют изучать деформирова-пае горных пород за проделом прочности как в условиях одноосного, так и объемного напряденных состояний, включая неравнокомпо-нентное.

3. Удельная объемная работа разрушения горных пород возрастает о увеличением объемного напряженного состояния (для мрамора - в 4 раза о увеличением минимального напряжения с 0 до 30 МПа, для угля - в 1,4 раза при увеличении с 0 до 0,4 Ша).

4. С увеличением неоднородности напряженного состояния путем уменьшения минимальной компоненты напряжений энергоемкость процесса разрушения уменьшается.

5. С увеличением отепени деформирования за пределом прочности значительно уменьшается цена образсвалия новой поверхности последующего разрушения.

6. Несущая способность краевой части угольного пласта в боках выработок зависят от их горизонтальной криволинайности.Уста-новленныа теоретические и экспериментальные зависимости позволяют определить необходимую реакцию крепи для обеспечения устойчивости выработок,

7. Разработаны практические рекомендации по дополнительному (до 30;? по сравнению с прямолинейным участком) боковому усилению крепи выпуклого участка сопряжения горной выработки угольной шахты на большой глубине (реализованы на шахте "Стахановская" ПО "Карагандауголь", пласт К-^) •

Основные положения диссертаций опубликованы в следующих работах автора:

I. Метод исследования деформируемости горных пород за пределом прочаости // Совершенствование техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых Казахстана: Тез.докл. I Республиканской ковф. молодых ученых и специалистов.22-24 марта 1388 г. - Алма-Ата, 1388.- 0,16-19.

- 17

2. A.c. Ii I44I238 СССР, кл. 5 01 Ы 3/00. Способ определения запредельного сопротивления деформированию горных пород.-

Я 4237288/25-28; Заявл, 04.05.87; Опубл. 30.11.88 // Открытия. Изобретения. - 1988. - Л 44 (соавтор Л.Н.Керебко).

3. Моделирование устойчивости криволинейных обнажений о различными радиусами закруглений У Система "Человек - машина -среда" в горном деле. Настоящее и будущее: Тезисы докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов угольной про- • мышлэнности. 26-28 октября 1990 г. - М., 1990. - С. ВЭ (соавтор С.Е.Чирков).

4. Знаргоемкость разрушения предварительно пластически деформированных горных пород // Проведение, крепление а поддержание горных выработок: Науч. сообщ. 11ГД им. А.А.Скочинокого. -1990. - С. 103-108 (соавторы С.Е.Чирков, Ю.Ю.Булич).

5. A.c. 1559149 СССР, кл. Е 21 С 39/00. Способ испытания образцов горных пород. - Л 4710265/(33; Заявл. 26.06.89; Опубл. 07.06,91 // Открытия. Изобретения. - 1991. - Л 21.

6. A.c. 1654573 СССР, кл. Е 21 С 39/00. Устройство дм испытания образцов горных пород при трехосном сжатии. -IS 4439178/23 -03; Заявл.10,06.88; Опубл. 23.04.90 // Открытия. Изобретэния. -1990. - № 15 (соавтор С.Е.Чирков).

7. Метод оценки прочности криволинейных обнажений массива горных пород // Комплексвое использование минерального сырья. - ' 1992, - Ä I. - С. 24-29 (соавторы С.Е.Чирков, А.И.Герцен).