автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Влияние неоднородности упругих свойств на трещиностойкость горных пород в связи с прогнозированием их предельного состояния

В в б д е н и е

1. Современное состояние исследований до механике разрушения неоднородных хрупких тел

1.1. Критерий развития трещин в твердых телах

1.2. Неоднородность упругих свойств твердого тела.

1.3. Обзор работ по механике разрушения непрерывно неоднородных хрупких тел

1.4. Исследования механики разрушения хрупких тел со скачкообразной неоднородностью упругих свойств

1.5. Некоторые приближенные методы механики разрушения

2. Предельное равновесие непрерывно неоднородных горных пород, ослабленных трещинами.

2.1. Влияние непрерывной неоднородности упругих свойств на величину коэффициента интенсивности напряжений

2.2. Разрушение непрерывно неоднородных горных пород

3. Предельное равновесие кусочно-однородных горных пород, ослабленных трещинами

3.1. Сжатие неоднородного породного массива, ослабленного краевой трещиной

3.2. Вязкость скольжения неоднородных горных пород

3.3. Предельное равновесие трещины, произвольно ориентированной к границе раздела различных горных пород.

4. Разрушение неоднородных горных пород в условиях сложного напряженного состояния

4.1. Разрушение неоднородных горных пород при неравнокомпонентном объемном сжатии

4.2. Экспериментальное определение вязкости скольжения горных пород

4.3. Условие локального разрушения горных пород с учетом неоднородности упругих свойств и неоднородности напряженного состояния.

4.4. Расчет давления жидкости, нагнетаемой в пласт, с учетом неоднородности упругих свойств массива и начальной влажности угля •

4.5. Промышленные испытания способа профилактической обработки выбросоопасных угольных пластов

3 а к л ю ч е н и е . ЮЗ

Л и т в р а т у р а . Ю

Актуальность проблемы. Основными направлениями экономического ш социального развития СССР на I98I-I985 годы, определенными ХХУ1 съездом КПСС, прогнозом развития угольной промышленности СССР до 2000 г., предусмотрено значительное увеличение добычи: угля в нашей стране в основном за счет повышения производительности труда на основе использования принципиально новых научных решений ш прогрессивных технологий.

Прит разработке полезных ископаемых большинство процессов связано с разрушением горных пород. Оценка устойчивости горного массива, сопротивляемости разрушению, его предельного равновесия до сих пор производится, как правило, с позиции механики разрушения однородных сред. Однако, как показывает практика горных работ, горный массив характеризуется существенной неоднородностью своей структуры, которая определяет большую изменчивость его упругих свойств. Практически все нежелательные явления в шахтах, такие как выбросы, внезапные обрушения, деформация крепи и т.д., так или иначе связаны с неоднородным строением горного массива. Поэтому актуальность темы диссертации определяется необходимостью учета неоднородности упругих свойств горных пород при прогнозировании их предельного состояния.

Цель работы. Установление закономерностей влияния неоднородности упругих свойств горного массива на трещиностойкость пород для прогнозирования их предельного состояния.

Идея работы состоит в учете неоднородности упругих свойств горных пород при прогнозировании их предельного состояния.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, иг новизна заключаются в следующем: теоретически и экспериментально установлены закономерности влияния неоднородности упругих свойств массива на предельное равновесие горных пород, проявляющееся в уменьшении трещиностойкости неоднородных пород по сравнению с однородными, причем, с увеличением глубины их залегания влияние скачкообразной неоднородности сильнее непрерывной; теоретически оценено влияние границы раздела упругих свойств горных пород на механизм их локального разрушения, где установлено, что в зависимости от механизма локального разрушения граница раздела способствует или препятствует развитию трещин; разработана и апробирована на песчаниках методика экспериментального определения вязкости скольжения горных пород; произведен аналитический расчет критического давления нагнетания жидкости в пласт, отличающийся тем, что в нем учтены неоднородность упругих свойств массива и начальная влажность угля.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются использованием фундаментальных положений механики разрушения горных пород, применением современных математических методов, апробированных экспериментальных методик, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, опытно-промышленной проверкой и внедрением этих результатов в производство. Построенные в данной работе решения, как частный случай, содержат некоторые результаты А.Д.Алексеева, В. И. Москалева, В. И1. Мое саков с кого, В.В.Панасюка, И.Н.Снеддона и Г.П.Черепанова.

Значение работы. Результаты работы развивают существующие представления о механике разрушения горных пород и применимы для дальнейших исследований в этой области.

Учет неоднородности упругих свойств массива и начальной влажности угля в расчете критического давления нагнетания жидкости внес существенные коррективы в режимы закачки, позволил избежать гидрорасчленения угольного массива и обеспечил равномерное его увлажнение, что заметно повысило эффективность способа профилактической обработки выбросоопасных угольных пластов водными растворами поверхностно-активных веществ.

Создание методики экспериментального определения вязкости скольжения, приемлемой для горных пород, позволяет определять эту важную характеристику трещиностойкости, используемую почти во всех расчетных моделях механики разрушения горных пород в условиях объемного сжатия.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные положения исследований использованы при разработке способа профилактической обработки выбросоопасных угольных пластов водными растворами поверхностно-активных веществ, внедрение которого на шахтах "Красный Октябрь" (пласт "Безымянный"), "Александровская" (пласт "Соленый") и "Ольховатская" (пласт "Каменка") ПО "Орджоникидзеуголь" дало реальный экономический эффект 150 тыс.руб. в год. Условие локального разрушения горных пород с учетом неоднородности упругих свойств и неоднородности напряженного состояния, полученное в данной работе, использовано при разработке способа прогноза вы-бросоопасности по перепаду эффективной поверхностной энергии. Методика экспериментального определения вязкости скольжения горных пород используется в 0ГД им.А.А.Скочинекого.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы и работа в целом докладывались на конференциях молодых ученых Донбасса (Донецк, 1976, 1973, 1980 гг.), на всесоюзных конференциях "Комплексные исследования физических свойств горных пород" (Москва, 1977, 1981 гг.), на 6-й и 7-й всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1978, Днепропетровск, 1981 гг.), на всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Киев, 1978 г.), на заседании всесоюзной научной школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и'динамические явления в,горных породах и выработках" (Симферополь, 1979 г.)* на 3-м и 4-м всесоюзных семинарах "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1980, 1982 гг.)» на У-м всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981 г.), на всесоюзной конференции "Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники и технологии на шахтах будущего" (Москва, 1982 г.), на республиканском симпозиуме "Концентрация напряжений" (Донецк, 1983 г.), на объединенном семинаре ДонФТИ АН УССР.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах /1-14/.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Неоднородность упругих свойств значительно уменьшает трещиностойкость горных пород, причем, с увеличением глубины их залегания влияние скачкообразной неоднородности упругих свойств сильнее непрерывной.

2. Для горных пород со скачкообразным изменением упругих свойств граница раздела их существенно влияет на механизм локального разрушения пород. Если трещина находится в более жесткой компоненте горной породы, ей более выгодно распространяться к границе раздела упругих свойств при действии на нее растягивающих напряжений и прочь от границы при сдвиге. Когда же трещина находится в менее жесткой компоненте, наблюдается обратная картина. Для трещины нормального отрыва в более жесткой компоненте скачкообразно неоднородной горной породы наивыгодная ориентация (обеспечивающая минимальную разрушающую нагрузку) параллельно границе, для сдвиговой - перпендикулярно. В менее жесткой компоненте все наоборот.

3. В условиях объемного неравнокомпонентного сжатия горные породы со скачкообразным изменением упругих свойств разрушаются за счет скачкообразного распространения критически ориентированних сдвиговых трещин. Критическая ориентация трещин по отношению к преобладающему сжимающему напряжению функционально зависит от коэффициента внутреннего трения, Объемная прочность составных образцов горных пород находится в промежутке между прочностью более и менее жесткой компонент, ближе к менее жесткой, но не равна прочности "слабого звена".

4. Получено условие локального разрушения горных пород с учетом неоднородности их упругих свойств и неоднородности напряженного состояния, вызванной пригрузкой от взрывных работ, использованное при создании в ДонФТИ АН УССР способа прогноза выбро-соопасности горных пород по перепаду эффективной поверхностной энергии.

5. Создана и апробирована на песчаниках методика экспериментального определения: характеристики трещиностойкости горных пород поперечному сдвигу - вязкости скольжения.

6. Произведен аналитический расчет критического давления нагнетания жидкости в угольный пласт с учетом неоднородности упругих свойств массива и начальной влажности угля для способа профилактической обработки выбросоопасных угольных пластов водными растворами ПАВ, который внес коррективы в режимы закачки, позволил избежать гидроразрыва пласта и обеспечить его равномерное увлажнение, что значительно повысило эффективность способа, внедрение которого на шахтах "Красный Октябрь", "Александровская" и "Ольховатская" ПО "Орджоникидзеуголь" дало реальный экономический эффект 150 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи исследования влияния неоднородности упругих свойств на трещиностойкость и механизм локального разрушения горных пород для случаев непрерывного и скачкообразного изменения упругих свойств, позволившее дать практические рекомендации для прогнозирования их предельного состояния, что дает возможность повысить эффективность технологических решений, принимаемых на стадии проектирования горных работ.

1. Алексеев А.Д., Ревва В.Н. Влияние неоднородности материала навязкость разрушения,- В кн.: Трещиностойкость материалов и элементов конструкций. Тр.Всес.симпозиум., 1978. Киев: Наук«думка, 1980, с.199-203.

2. Алексеев А.Д., Ревва В.Н. Экспериментальные исследования вязкости скольжения хрупких тел.- Физ.-хим.мех.материалов,1980, Т.16, № 2, с.105-106.

3. Журавлев В.И., Ревва В.Н. Крихне руйнування т1ла при д11 нащ1лину неур1вноважених сил.- В кн.: Теор. I прикл.механ1-ка, ХГУ, 1972, вып.З, с.13-20.

4. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Бойко И.А. Вязкость скольжения разномодульных горных пород.- В кн.: Аналитические и численные исследования в механике горных пород. Новосибирск,1981, с.88-90.

5. Ревва В.Н. Прочность неоднородных горных пород, ослабленныхтрещинами.- В кн.: У1 Всесоюз.конф. "Комплексные исследования физических свойств горных пород": Тез.докл. Москва, 1977, чЛ, с.53.

6. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Бойко И.А. Разрушение разномодульных дефектных горных пород.- В кн.: Всесоюз.научн.школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках": Тез. докл. Москва, 1979, с.5.

7. Алексеев А.Д., Дуброва С.Б., Ревва В.Н., Бойко И.А. Моделирование процесса разрушения горных пород в окрестности выработок.- В кн.: УП Всесоюз.конф. "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов": Тез. докл. Москва, 1981, с.34.

8. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев H.A. Условие разрушениягорных пород и их выбросоопасность.- В кн.: УП Всесоюз. конф. по механике горных пород: Тез.докл. Днепропетровск,1981, с.49.

9. Алексеев А.Д., Ревва В.Н. Предельное равновесие трещины, расположенной под произвольным углом к границе раздела различных упругих материалов.- В кн.: Респуб.симпозиум "Концентрация напряжений": Тез.докл. Донецк, 1983, с.7.

10. Алексеев А.Д., Недодаев Н.В., Стариков Г.П., Сереброва H.H.,

11. Х6# Оъогилхм, Е.о. ЛъаЛ. -^¿р^иЛс^, }5. м, р- к*

12. Морозов Е.М. Энергетическое условие роста трещин в упругопластических телах.- ДАН УССР, 1969, 187, № I, с.57-60.

13. Морозов Е.М. Энергетический критерий разрушения для упругопластических тел.- В кн.: Концентрация напряжений. Киев: Наук.думка, 1971, вып.З, с.85-90.

14. Черепанов Г.П. О распространении трещин в сплошной среде.

15. Прикл.математика и механика, 1967, т.31, № 3, с.476-488.сл^сА. Ьих^лгелж'ид а. ^В**^ . ч/ /Ил^А. у

16. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.- Москва: Наука,1974, с.640.

17. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами.

18. Киев: Наук.думка, 1968, 246 с.

19. Андрейкив А.Е. Об одном деформационном критерии локальногоразрушения.- Физ.-хим.мех.материалов, 1977, № 4, с.23-25.

20. Андрейкив А.Е. Разрушение квазихрупких тел с трещинами присложном напряженном состоянии.- Киев: Наук.думка, 1979, 127 с.

21. Седов Л.И. Механика сплошной среды.- Москва: Наука, 1970, Ё 2,984 с.

22. Работнов Ю.Н., Полилов А.Н. Проблемы разрушения материалов.

23. В кн.: Механика. Период.сб.перев.статей, 1974, № 5, с.79-94.

24. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел.- Вестник академии наук СССР, Москва: Наука, 1968, ffe 3, с.46-52.

25. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкойпрочности.- Прикл.математика и механика, 1969, т.33, №2, с.212-222.

26. Новожилов В.В. К основам равновесных трещин в хрупких телах.

27. Прикл.математика и механика, 1969, № 5, 33, с.797-812.

28. Гузь А.Н., Кулиев Г.Г., Цурпал Й.А. К теории разрушения тонких тел с трещинами.- Прикл.механика, 1975, т.II, te 5, с.32-35.

29. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин,образующихся при хрупком разрушении.- Прикл.механика и техн.физика, 1961, № 4, с.3-56.

30. Писаренко Г.С., Лебедев A.A. Сопротивление материалов деформированию в сложном напряженном состоянии.- Киев: Наук, думка, 1969, 324 с.

31. Черепанов Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения.- Москва: Машиностроение, 1977, 224 с.

32. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения.- Москва: Наука, 1974, 416 с.

33. Финкель В.М. Физика разрушения.- Москва: Металлургия, 1970,376 с.

34. Каминский A.A. Механика вязко-упругих тел.- Киев: Наук.думка,1980, с.157.

35. Ростовцев H.A. К теории упругости неоднородной среды.- Прикл.математика и механика, 1968, т.28, вып.II, с.127-130.

36. Ростовцев H.A., Храневская Н.Е. Решение задачи Буссинеска дляполупространства при степенной зависимости модуля упругости от глубины.- Прикл.математика и механика, 1971, т.35, вып.6, с.1053-1061.

37. Тер-Мкртичьян Л.Н. Некоторые задачи теории упругости неоднородных упругих сред.- Прикл.математика и механика,1961, т.25, вып.6, C.II20-II25.

38. Ломакин В.А. Теория упругости неоднородных тел.- йзд-во МГУ,1976, 368 с.

39. Колчин Г.Б. Расчет элементов конструкций из упругих неоднородных материалов.- Кишинев: Картя молдовеняска, 1971,172 с.

40. Плевако В.П. К теории упругости неоднородных сред.- Прикл.математика и механика, 1971, т.35, вып.5, с.853-860.

41. Плевако В.П. О возможности использования гармонических функций при решении задач теории упругости неоднородных сред.- Прикл.математика и механика, 1972, т.36, вып.5, с.886-894.

42. Проценко B.C. Кручение упругого полупространства, модуль упругости которого изменяется по степенному закону.-Прикл. механика, 1967, т.З, вып.II, с.127-130.

43. Насонкин В.Д. О решении задач теории упругости для среды спеременным модулем упругости.- Сб.МИСИ, 1970, № 84, с.II9-I22.

44. Коренев Б.Г. Штамп, лежащий на упругом полупространстве, модуль упругости которого является степенной функцией глубины.« ДАН СССР, т.СХИ, № 5, 1957, с.823-826.

45. Моссаковский В.И. Давление круглого штампа на упругое полупространство, модуль упругости которого является степенной функцией глубины.- Прикл.математика и механика,1958, т.ХХП, вып.1, с.123-125.

46. Пальцун Н.В., Приварников А.К. О напряженном состоянии возлещели в пространстве с переменным модулем упругости.-Прикл.механика, 1967, 3, № 9, с.138-141.

47. Моссаковский В.И., Рыбка М.Т. Обобщение критерия Гриффитса?

48. Снеддона на случай неоднородного тела.- Прикл.математика и механика, 1964, 28, № 6, C.I06I-IQ69. 57< ZakA.H., ^¿¿¿¿cwA- M.L. ¡киле*ufte.uA.E.j.afft., ,щр.m.

49. Авербух А.З. Сжатая трещина на границе круглого включения.-Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1979, № I, с.133-137.ot¿UjL?m¿£tbn-

50. Octytn>6¿eA. . . ASME, ¿e*. J.mScA., мкбГ, M. Л, <РЛ9-<Р36.

51. F. , COUM. k. PeiMg-óJb^-e^L Ui^^f-eueiJt. СЛХьсЖ^

52. Jhd. дмд. 4<U. , mi, M. 4o, ,fabcJuAJL, . Jfat. J. Pbeu=ÍMJL., Yol. ¿1-65

53. Бережницкий Л.Т., Панасюк В.В., Черепанов Г.П. 0 прочностисоставных тел, ослабленных трещинами.- В кн.: Концентрация напряжений, Киев: Наук.думка, 1971, вып.З, с.10-15. 63 СоГ**иМ>Ц М. ¿n&AsfcbOL. C/ЬСЬСЛ- О. ^itSLOjt^ fúsLct.

54. ASME.J. áfpt. ПлсА.,4т, ^¿'¿.¿Я-АЭО.64.1. Cvm^ufbou М., Дгя^Ы J.

55. J. \ S9fO, JO, l, ¿оЪ-А-ГА.

56. Шоршоров М.Х., Виноградов Л.В., Устинов Л.М. Расчет методомсечений коэффициентов интенсивности напряжений для трещины, расположенной у границы раздела разнородных сред.-Механика композитн.материалов, 1979, № 6, с.982-990.

57. Шоршоров М.Х., Виноградов Л.В., Устинов Л.М. Расчет коэффициента интенсивности напряжений для трещины, распространяющейся перпендикулярно границе раздела разнородных материалов.« Физ. и хим.обраб. материалов, 1978, № 5, с.146-150.

58. Вайншельбаум В.М., Гольдштейн Р.В. Осесимметричная задача отрещине на границе раздела слоев в многослойной среде.-Изв.АН СССР. Мех.тверд.тела, 1976, № 2, с.130-143.

59. Кхл*' 1.М., С&е/ю И., Сомччихл Н.репм ¿А^хрьсС суых^С^ . Л.46 , л/№ ,165-4Ы. *69. ^¿^г^^сишл^ ¿3-. 1 Сом,п*1и>ч М. алп^сси р/ ¿А^ЛЛ^сис^ СЛуСьсА- О^СС -¿¿ШЛ. .1. АЛ. о^сС70. ¡С.а/., А.М., О.

60. А С. р-еъл'О'еССс. ог^ЬоЬыэ^с-. „ 4<л. 49<Р1,

61. Ми 6.с. СА&^Е.Р. Ръсиа. /Шок.", 43?0,4В>,73 в Цал^аЖА-АЛ^иА/ !/. к., И ¿V1. ПиМ^., 49??, 44/

62. Кулер Дж., Пиггот М. Растрескивание и разрушение композитов.

63. В кн.: Механика разрушения. Новое в зарубежной науке. Москва: Мир, 1979, № 17, с.44-81.

64. Форсайт Дж., Мюллер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений.- Москва: Мир, 1969, 167 с.

65. Алексеев А.Д. Руйнування твердих т1л в об'емному напруженомустанХ в зв'язку з динамичними явищами в вуг1льних шахтах.- ДАН АН УССР, 1974, № 8, с.748-750.

66. Снеддон И.Н. Преобразование Фурье.- Москва: МЛ, 1957, 456 с.

67. Черепанов Г.П. Равновесие откоса с тектонической трещиной.

68. Прикл.математика и механика, 1976, т.40, N° I, с. 136-151.79. С.У. ¿м^у^С ель1 , Сь. оСЬоС., , 4в £i.80.л/. Mzju<L (ХМкЛп^сеЛлг. Ь> äs*- ¿лf9?S, М. У/, лУЛ , ¿Ü05-- ¿J2.

69. Алексеев А.Д., Осыка Е.Й., Тодосейчук А.Л. A.c. 394692 (СССР),

70. Установка для испытания призматических образцов на трехосное сжатие,- Опубл. в Б.Н., 1973, № 34.

71. Черепанов Г.П. О развитии трещин в сжатых телах.- Прикл.математика и механика, 1966, т.XXX, вып.1, с.82-93.

72. Протодьяконов М.М., Койфман М.И., Чирков С.Е. Паспорта прочности горных пород и методы их определения.- Москва: Наука, 1974, 78 с.

73. Карташов Ю.М., Грохольский A.A. Методические указания по определению прочности горных пород на сжатие.- Ленинград: Наука, 1973, 74 с.

74. Черепанов Г.П., Каплун А.Б., Карасев Л.П., Кутепова Л.И. Рабочая методика определения энергии разрушения металла. Физ.-хим. мех.материалов, 1970, № I, с.64-68.

75. Моссаковский В.И. Первая основная задача теории упругости дляпространства с плоской круглой щелью.- Прикл.математика и механика, 1955, т.XIX, вып.4, с.442-452.

76. Моссаковский В.И. Давление круглого штампа на упругое полупространство.- ЙМА АН УССР. Научные записки, 1953, т.II, вып.1, с.21-27.

77. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е. К вопросу о разрушении хрупкоготела с дискообразной круглой трещиной.- Прикл.механика, 1967, т.З, с.27-32.

78. МисьсА. А.4. <г/ ¿?Ц4^ <г/ Ии/ХиМ.

79. Чернов О.И., Розанцев Б.С. Подготовка шахтных полей с газовыбросоопасными пластами.- Москва: Недра, 1977, с.287.

80. Божко В.Л. и др. Опыт разработки выбросоопасных пластов нашахтах Донбасса.- Москва, Недра, 1970, с.166.

81. Желтов Ю.П., Христианович С.А. О гидравлическом разрыве нефтеносного пласта.- Известия АН СССР, ОТН, 1955, № 5, с.3-41.

82. Москалев А.Н. и др. Предельное равновесие трещин в угольномпласте при нагнетании" в него жидкости.- Физико-техн.проб. разработки полезн.ископаемых, 1979, № 5, с.91-96.

83. Либовиц Г. Разрушение, т.2.- Москва: Мир, 1975, с.764.