автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Закономерности деформирования и разрушения горных пород при высоких давлениях

Государственный комитет РСФСР пв делам каукн п гысавП пквлы

ЛЕНИНГРАДСКИМ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ Г.В.ПЛЕХАНОВА

На прасах рукэпясп

ТАРАСОВ БОРИС ГРИГОРЬЕВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДБ&ОШРОЕУЙШ И РАЗРУШЕНИЯ ГОРШХ ПОРОД ПРИ ШСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

Специальность 05.15.11 -"Фп!нчвсЕпв процесса гориого пропзгодстм"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа свасканпв учгноП отвпаза доктора твхянчазклх паув

Саккт-Потврбург

1991

Работа выполнена с Ленинградском горной институте имени Г.В.Плехавова.

Официальны« оппоненты: доктор технических наук, профессор Бач Якоб Адамович; доктор физико-математических наук, профессор

Куксенко Виктор Степанович;

доктор физико-математических наук, профессор

Соболев Геннадий Александрович

Ведущее предприятие: ймституг динамики геосфер АН СССР.

Завита состоится " 2О " си^р Г*у 1992 г. ь / 3 час. / мин. на заседании специализированного Совета Д.063Л5.01 при Ленинградском горном институте имени Г.В.Пдеханоьа по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, аудитория //¿О

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского горного института имени Г.В.Пдеханова.

Автореферат разослан " £ " 1992 г.

*

'Учений секретарь специализированного Совета Д.063Л5.01, д.т.и., .и .

профессор ,0, . Э.И.Богуславский

'".--•Л I

~ .. АнтуАльность сени. ВахнсПпнн у слоги ем сффептавмэго репенял ; задач гэомеханик::, связанных, например, с поиском,

. ч\п к с-Зсгаиением полезных ископаеяих, ведением горних работ, эксплуатацией подземных сооруязний, борьбой о горными ударами а

'пинки гмбросами, прогнозом землетрясений и др., является гиинио об исходных механических свойствах горних пород в массива а процессах деформации п разрупения, происходя«!« а них, при иэ-лонснка яапрякенного состояния, вызванного веденном горних работ, 5«&тояачсскими процессами я другими причинами. С освоением Соль-гаих глубин необходимость з этих знаниях приобретает ецэ более острия характер. Это связано с тем, что в зтих условиях породы, окрухаощю выработку, могут находиться в предельном напряженном состоянии и дпяо переходить в область запредельного деформирэга-ния, что заставляет болео строго, с учетом реальных свойств по» роди, сильно изменяется от внезнкх условий, подходить к расчету устойчивости выработок, прогнозу развития деформационных я разрупателыгах процессов в них, выбору крепи, прибегать к разработке особых технология и методов проходки и т.д.

Знание причин, приводящих к образованно порового пространства иа больаих глубинах, а также закономерностей изменения пористости и проницаемости горних пород при изменении услоний, является необходимым при выборе места, технологии проходки я методов воздействия на породу при строительство и эксплуатации нефтяных и геотермальных скважин, а такмо могильников, лредваэначен'шх для захоронения в земних недрах экологически опасных отходов производства.

В связи с этим, экспериментальное изучение механических свойств горных пород при высоких давлениях с выявлением закономерностей их изменения при широкой вариация условий эксперимента является чрезвычайно ютюй и необходимой задачей. Однако, ещэ более глхпая и фундаментальная задача состоит в том, чтобы на основания анализа результатов сирохокасвтабных исследований гыявять обцио закономерности, прксусиэ всем горным породам или определенному 1'лассу горних пород, раскрыть физическую сущность этих явлений, и, л конечно и счете, разработать физическую модель, отрокавиув механизм разииваскихся в реальных материалах процессов^

ч

Постигнув фяакху zzsomü, исследователь или практик получает в руки инструмеи?, о помощью которого можно осуществлять прогноа состояния ьсг.сгли в условиях, соответствующих условия!: разработка горних пор»« 2 нассиьв, проводить анализ изменения целого комплекса П£рмсгрэ&, взаимоувязанных в модели, при изменении внеаних фактора;-,

Практические ослозньиия, ьозникающке при строительстве и эксплуатация подзе^на* есорууеннй на болышх глубинах, вызванные отсутствием комплексах окспвриментальных исследований и теоретических обобщений по состоянии горного вещества в зтих у^ ловиях, требуют безотлагательного устранения пробелов в этой области.

Поскольку понятно "высокие давления" является неоднозначным и относительным, необходимо расшифровать.смысл, вкладываемый в sto понятие в данной работе. Под высокими давлениями в ра боте понимаются, во-первыг, давления, приводящие материал в пре дельное и запредельное напряженное состояние, во-вторых, в условиях объемного неравнокомпонентного сяатия, такой уровень боковых давления, при котором в горних породах развиваются преимущественно пластические деформации, а процессы отрыва пр тека-В7 на уровне структур] (зерен), либо вовсе отсутствуют. Для раз личных горных пород значения этих давлений различны.

Цель настоящей работы состоит в создании физически обоснованной модели механического состояния горных пород в условиях действия высокого уровня снимающих напряжений, позволяющей про« гнознрова«.ь,как свойства пород в иироком диапазоне изменения виеоних условий, так и характер и динамичность процессов их раэрупения.

Идея работы заключается в теоретическом обосновании факта существования общих для широкого круга горных пород закономерностей изменения механических свойств под влиянием условий наг-руження (вида напряженного состояния, путей нагружения, скорос деформации, условий взаимодействия между нагружающей системой и разрушаемым объемом и других факторов), свидетельствующих об общей-физической природе механизмов формирования прочностных, упругих 1? деформационных свойств горних пород.

Основные научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Экспериментально полученные и теоретически обоскосаниио физические критерии, характеризующие сгатиствчсскуи природу прочности и деформации горних пород при гасокях давлениях:

- критерии, отражасцио условия перехода пределов упругос-н пределов прочности от состояния загксимости их от уровня

бокового давления (криволинейный. участок диаграммы Мора) в состояние максимальной пластичности н независимости от 6], , опродедяекыо численным равспстзззи незду урошен бокового даме» ннп и урогяем касательных напряжении в материала на пределе упругости язи продело прочности;

- критерия, опроделявйий условно гознозшоста развития дидатонсшших процессов з горних породах пря объемном скатим, состояний в численном превосходство уроскя кас?.тольь*их на пря» яенпй, разЕ!Еавг;ихсл в материале, над урогяе'м бокогэго давления;

■ - крзтерян, определяющие принципиальнуо возаогкость упрочнения и увеличения предела упругости горных пород (я других неоднородных тмрдах тел) под воздействием бокового дамсния. а такяа степень упрочнения и диапазон соковых давлений, в котором ивбдвдастсл влияние урошя давления па указанию параметры. В основе критериев лежит соотнесение кеяду прочнсстьч материала на едгаг и ¡:рочностьп на отрав.

2. Экспериментально полученные закономерности, раскрывающие различные проявления механизмов формирования упругих, прочностных и деформационных свойств гор»их пород к развития процессов их разрушения;

- с ростом уровня бокового давления увеличение пределов прочности и упругости горных пород осуществляется за счет двух факторов: воздействия Од на сбрззувдаеся г деформируемом материале тредкны отриза и деформационного упрочнения по эленентарпим площадкам сдвига, пркчен, величина вклада послед-нега фактора составляет от 50 до 20 % и прямо пропорциональна величине прироста необратимой деформации, развавасцойся в материале на продело прочности в условиях сСье^иего еяатея по срасненаа с одноосным;

- разница «суду зеличинанв накскнельиой и остаточной прочности го|дш„ пород с росток у рол.* Сокоюго давления (при

высоких его значениях) уменьшается и обращается в ноль при условиях, СООХВ2ТСТЕ/ВЩИХ таходу паспорта максимальной прочности на участок независимости от ;

- коэффициент необратимой попоречной 'деформации с переходом из допредельной в запредельную область деформирования сохраняет неизменной свои величину;

- степень измельчения материала горних пород при деформации их в условиях всестороннего сжатия увеличивается с ростом уровня бокового давления лишь до определенного предела и остается неизменным при более высоких давлениях;

- установлены закономерности перераспределения упругой энергии, накопленной в нагружаюцей системе и разрубаемом объеме, между другими видами снергии в процессе хрупкого динамического разрушения (баланс энергии), в частности, отпопеаие онер-* гии разлетавшихся ооколков к энергии колебания нагружающей системы определяется соотношением массы раэруренного материала и колеблюцейся массы нагружающей системы;

- в процессах динамического неуправляемого разрузения объема материала, осуществляемого за счет упругой энергии П^, накопленной в нагрукаюцей системе при нагружении и деформации этого обгема, энергоемкость разруиения материала изменяется (увеличивается или уменьшается в зависимости от типа пород)

с ростом Пу липь до определенного для каждой породы предела и сохраняет достигнутое значение при более высоких значениях Пу,

3. Теоретические разработки, с основе которых лежат новые экспериментальные факты, закономерности и критерии:

- статистическая модель деформированного неоднородного твердого тела, раскрывающая на уровне структуры механизмы течения процессов деформации и разруиения в горных породах и формирование ах прочностных и упругих свойств при высоких давлениях. Модель охватывает область запредельного деформирования;

. - универсальная диаграмма механического состояния горных пород* отражающая проявление прочностных, упругих, деформаци-,оиных и далатансионных свойств горных пород в широком диапазон« видов напряженного состояния (от одноосного растяжения до трех. осного сжатия под боковым давлением, соответствующим горизон-

•:.%1п:о17 участку диаграммы Мора) и путей нагруяензд, в оспохо каторг1* легат зависимости касательных напряжения ыа> пределе прочности а упругости от уровня бокового давленая; раскрытий £:'гада!юкэ1шый критерий, определяющий условия возможности Ъ'лэытя дидатансиошшх процессов в маториале; веер диаграмм "штр^хснке-деформация", отражающих эти зависимости при разных урогамх бокового давления;

- универсальные паспорта прочности и упругости, изображала з координатах *Г + , а которых прекращение зависимее?;! % от . и Ту. от для различных горних парод происходит при условии г ■ I, при этом яе уологди происходит выравнивание значений максимальной и остаточной прочности;

- механизм трансформации части анергии упругого сштм, накопленной в нагруяавцей системе (боковых породах) перед раз-рувепиеи, э оиоргию колебательных процессов и кимотвчвску» спер-гио перенесения разруоенного объема, заклвчасяийся в разгона массы разруоенного материала упруговосстанавливаюзойся части нагружаюяей системы до максимальной скорости колебательного процесса, которому подвергается примыкающая к'разрусеннояу вбг+ ему поверхность нагружающей системы (принцип действия рогатки).

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечена комплексностью проведенных исследований фазя* ко-механичсских свойств горных пород, сирокин диапазоне» условий эксперимента, больяим обгемом испытаний на различных типах перед (сигав 3000 образцов более 40 разновидностей), разработкой специальной исследовательской аппаратуры, погиваюяей надежность результатов исследований определяемых физических параметров, тщательностью отработки нетодик эксперимента. Подтверждена достоверность удовлетворительной сходимостью прогнозируемых параметров, критериев и закономерностей с фактическими розульта-тани, получаемыми в эксперименте.

Научная новизна работы» '

1. Экспериментально получен ряд новых закономерностей и критериев, раскрывающих физлческую природу формирования мзхотл-ческих свойств горних пород в условиях шеоких давлении.

2. С позиций статистических представлений о строении гордых город и процессах, происходящих в них при деформации и раз-

.рушении, дано объяснение целого ряда экспериментальных фактов, необъяснимых с иных позиций.

3. Экспериментально изучен и объяснен механизм перераспределения оперши упругого сжатия, накопленной в нагружающей системе и разрушаемом объеме, исаду другими видами энергии, осуществляемый в процессе хрупкого разрушения горных пород и обусловливавший баланс энергии этого процесса и его динамичность.

Практическая значимость работы.

1. Экспериментально ..олучеиныо новые закономерности и критерии, а также построенные на их основе теоретические разработки могут служить методологической базой для осуществления прогноза упругих, прочностных (максимальной и остаточной прочности), деформационных и дилатансиошшх свойств пород в широком диапазоне изменения внесших условий и для выбора путей и методов воздействия на породу, с целью, приведения ее в требуемое ыеха-

• ническое состояние.

2. Раскриый механизм перераспределения энергии в процессе хрупкого неуправляемого разрушения горных пород, характерного для горных ударов, дает возможность расчетным путем до разрупе-ния.определять составляющие баланса энергии этого процесса и прогнозировать динамичность его протекания. • •

3. Разработанное на уровне изобретений уникальное экспериментальное оборудование позволяет проводить комплексное ьсследование физико-механических свойств горных пород (прочностных, деформационных, изменение объема, развитие трещиноватости и перового Пространства, фильтрационных свойств, склонность к хрупкому разрусенив, баланс энергии разрушения и др.) до предела и за пределом прочности при широкой вариации видов напряженного

. состояния, путей погружения, скоростей деформации, температуры, порового давления, жесткости нагружающей системы и др. Технические решения и способы испытаний занижены 17 авторскими свидетельствами на изобретения.

А. Предложенный упрощенный способ оценки влияния скорости деформации на механические и энергетические характеристики го]>-1шх пород, позволят осуществлять эту оценку в условиях, где традиционные методы не л^инекимы,' например, на породах с большим разбросом прочностных, деформационных и энергетических по-казател а. Спосос. признан изобретением.

5. Практическая значимость проведенных экспериментальных

исследований по упрочнении пород давлением кидких и газообразных сред заклсчается в установлении критерия для подбора уде- . льного веса буровых растворов, с цельа обеспечения максимальной устойчивости стенок глубоких скваяин.

б. На основании изученного механизма развития деформационных процессов в горных породах при высоких даачениях, разработан способ дробления кристаллосодержацей породы, обсспочига-ссп.й васокув эффективность дробления и сохранность высвобождаемых кристаллов. Способ признан изобретением.

Реализация работы. Практические рекомендации и результаты исследований вопли составной частьв в кетодичсскио и инструктивные документы: "Инструкции по безопасному поженив горных работ на рудных и нер'цных месторождениях, склонных к горным ударам, утвержденмув Госгоргехнадзорон СССР (1900), "Каталог план-пето в механических характеристик горних пород, опасных в отно-ио:ш1 динамических явлений, с учетом запредельной области, га» эового и аидкостпого факторов" (1980), "}!етод5ггескяо указания по определенна запредельных характеристик горных пород" (1982), "Методические указания по испытание горных пород на яеетгеих прессах" (1933), "Методические указания по определении баланса энергии хрупкого раэрупения горных пород" (1985).

Ногае методы исследований свойстз горных пород и разработанная автором а л пара'-ура внедрены в ряде лабораторий научных организаций страны.

Научные и практические результаты работы иироко используются в учебном процессе ЛГИ, в частности, вклкчены в программу курса "Физика горных пород и процессов".

Апробация работы. Основные результаты исследований дскла-' днгадись и получили положительную оценку на следусцих Всесоюзных совещаниях и конференциях: Есесоззное совет! о по физи.че-' ским свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах для задач сейсмологии (Таигент, I901); Всесоюзная конференция по физико-техническим и технологическим проблемам разработки и обогащения твердых полезных ископаемых (Москва, КПКОН АН СССР, 1982); ¿сесосзная конференция по механике горных г.ород (Днепропетровск, 1981); Всесоюзное совещание по физике и механике разрушения горных порол (Фрунзе, 1983); Всесосзноо совещание по физическим сгоПсазам горних п<,род при высоких давлениях и темпзратурах (Ереван, Уфа, 1990); Всесоюзное совещаний

по прогнозировании геологических разрезов сверхглубоких скЕа-хин и методам предупреждения и преодоления геологических осложнений (Кривой Рог, 1990); Всесоюзная школа-семинар по взрыв-нцм явлениям (Алуста, 1990); Всесоюзная школа-семинар по физическим основам прогнозирования разрушения (Ленинград, 1991).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 27 печатных работах. Новые технические решения, созданные в про-.цесса работы над диссертацией, защищены 17 авторскими свидетельствами на изобретение. ,

Диссертация является итогом целенаправленных исследований, выполненных в рамках следуюаих научно-исследовательских тем: огобоедоад "Развить теорию динамических явлений, создать и освоить ноше надетаые методы и средства прогноза и борьбы с горший ударами в условиях комплексной механизации горных работ на удароопасных пластах (уголь, руда)" (£ Г.Р. 76026060, JS76-I9S0 . гг); 0220601000 "Изучить в лабораторных условиях энергоемкость процессов деформации и разрувения среди удароопаешх горних пород основных угледобывающих бассейнов страны в условиях сложных напряженных состояний при строкой вариации скоростей нагруканця с учетом запредельной области деформирования (К Г.Р. 0I83007IW I981-1985 гг.); 0239016200 "Разработать технические требования •и составить рекомендации по создания « совершенствование безопасной и эффективной техники н технологии ведения горних работ иа удароопасних угольных пластах, в том числе, одновременно склонных к горным ударам к выбросан" (»Г.Р. 01860048993, 19851983 гг); 0293131301 "Провоста исследования по усоверасвствова-нив теории динамических явлений. Разработать методы исследований прочностных и деформационных свойств горнах пород (й Г.Р. 0I860I2992I I9S5-I968 гг.); "Комплексное.исследование свойств и состояния горних пород при высоких термобаркческйх условиях о целью совершенствования технологии бурения и исследования сверхглубоких скважин (0.50,01^ 1Г83-1991 гг.),

С IS76 no 1988 гг. работа выполнялась во Е;Е«Х'К, а с 1988 по 1991 г. в Ленинградском горном юститу?е. По указанным направлениям автор принял участие в качества ответственного исполнителя и научного руководителя работ.

В основу диссертации положены экспериментальные и теоретические исследования, выполненные лично айтором.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,

и

и глав, гаклвчешгя п списка исподъзогатых литературных пстсч-кг.чл из 169 наименован:*.:!. сб:-.сн работа - 373 страпач, з

т:"ло: 2 таблицы, 129 рнсуикотз, 266 страниц нагпшзписного.

Л?'.-ор гираяаот глубохуп благодарность про}. А.И.Стагрогя-¡ у С1?1«у научному настагткку, а леборасэряи, ругах эдге»йЯ им, работает с начала с кой научной деят<5лыгасгл, а ?ак»з л.-иГэратсра» О.А.Пирхесу, уникалышо результата окспэри-.^'.^'¿^лг.'^х исследований которого окагалп больоуз псмсцъ прз Г-трдбохко теоретических полохсикй диссертации.

СОДЕРЕШЩ ГАБ01Н. В пергой главе проанализированы закономерности изменения упругих, прочностных, деформационных свойств горних пород, а такхо структурних и объемных изменений в них, проявлявшихся при пзнспгк;':! услоьий пагруасения, присущие бользкнетву горних пород и других неоднородна-". тгордих тел (¡¡ТТ). К наиболее известным . таким закономерностям относятся следующие: I) сшышо поыаенио прочности и предела упругости с ростом бокового давления;

2) прекращение зах".:с1:мости предельных прочностных и упругих ха-растосиятшс, начиная с некоторого урояня боконих ¿пг-лоний;

3) измене:!!!© характера разрушения с ростом боковзго давления (смена отрывных наруссиий сдвиговыми); '() увеличение пластичности в ростси бокового давления; 5) увеличение сбго>':; при бсо2ои сжатии (оффект разрыхления) с ростоп бокового давления и наличие накси.чука аффекта разрыхлеги:л при определенной лея дачной порода величине бокового наклонил;.6) зависимость коэффициента поперечной остаточной деформации о? величины бокового давления, численное значонио которого меняется от 0,5 до несколысих единиц;

7) зависимость угла ориентировки плоскостей скольжения (¿кипя Чо[ног.г.-Лвдерса) относительно главных осей от величины бокового давления; о) падение напряжешь после перехода га предел прочности (г, згпредельной области); 9) замсииость модуля спода от урогнл бокового давления; 10) наличие остаточной прочности п за-предольной области, величина которой растет с ростом Сокового давления; II) захксимость деформационных, в то:! числе, обгсшшх изменений п натсризло от пути иагрукения и др.

Отмеченные здесь о^екте л той или иной степени отраасиц в полом р.чдо экспериментальных работ (БлПдгж Г-.В., Бшшвского З.Т.,

Борисова A.A., Бриджиена П.В., Волоровича П.П., Денкхаусо Х.Г. Ширкеса O.A., Картагова D.M., Карманского А.Г., Кузнецова Г.Н. Дядькина Ю.Д., Кармана Т., Лодуса Е.В., Матвеева Б.В., Певзне-ра Е.Д., Протодъяко<;ога !■!.!!., Проскурякова Н.М., Ставрогина А. Томавевской Й.С., Чиркова С.Е., Шемякина Е.И. и др.). Перечисленные особенности поведения горных пород и других материалов явллвтся следствием ку^ествованлг. обцих для ессх НТТ механизме через которые осуществляется реализация указанных свойств с изменением условия и&гу/хгшы.

Анализ существувдх теорий и моделей, отражающих различш стороны проявления прочьсстиых, упругих и деформационных свойств горных пород (a i/tota:: Msp, Кулон, Гриффите A.A., Мизес Р. Еейбул В., Протодьяконов '¡.'1., Френкель ft.ll., Конторова Т.А., Давидеиков H.H., Бурков €.И., Куксенко B.C., Петров В.Л.. Ере ти Е.Т., Волков С.Д., Тейлор, Фридман Я.Б., Смокал А. и др.) показывает, что все они н^ являются универсальными и описывав поведение горных пород либо в каком-то определенном, довольно узком, диапазоне условий (например, при одноосном сжатии и ни ком уровио боковых давлений), либо затрагивает'изменения толь прочностных или только деформационных характеристик горных по род, не раскрывая физических механизмов, обусловливающих эти изменения при вариация условий нагружения (например, уровня f кового давления). Объяснить, а тем более описать перст л синь выае особенности изменения прочностных и деформационных свой: горных пород при разных условиях нагружения с помощью какой-либо одной из отих теорий но представляется возможным.

Б ряду суцествуюких теорий особое место занимает статис ческая модель деформированного НТТ, разработанная А.Н.Ставрэ ным, отличающаяся от других и по ыироте охвата внешних услов и по комплексности подхода к рассмотрению различных физико-м ханических свойств горных пород, и по разработке механизмов, через которые реализуются прочностные, деформационные и друг свойства поре , при разных условиях эксплуатации. В этой моде горная порода рассматривается кок сложное структурное образо ние,' представлявце* конгломерат связанных между собой структ «их элементов, например, зерен, обладавших различными прочие ными и деформационными характеристиками. Особенность модели состоит в том, «то г ней рассматривается ф^рмпротнио дефор

ционного процесса на уроит структурных элементов и ока включает в себя механизм реализации как едгигогых, так п отрывных напряжений, деформация и форм раэрупеиия, в разной степени проявлявшихся п неоднородных материалах и зависимости от услоглй погружения (з частности от уровня бокового давления (Г2 ).

Согласно модели, при погружении тела в материале гозшкеапт касательные напряжения (максимальные из которых, направлен« под углом '|5° к 'направлению действия максимального главного напряжения бу ) и реализуются сдвлгоше деформации. Как только уровень касательных напряжений превзойдет продол упругости самых слабых элементов структуры, в них начинает разги/чться процесс пластической деформации сдвига (жирные черточки на р::с. I ,а), Гост сопротивляемости нагрузке на таких микроэлементах сдвига "а" и напряжения в них с увеличением нагрузки на тело начинает отставать от роста напряжений го всем остальном объеме тела, деформирующемся упруго. Это приводит к болео интенсивному с движение одной части микрообъемп тела, примыкащего к микроплооддке сдвига, относительно другой,и, как следствие, к возникновению отрывных напряжений по площадкам, примыкающим к элементам сдвига и направленным параллельно действию 6/ (пунктирные линии на рис. 1,6). При достижении напряжениями отрлва уровня, превосхо-дяшего прочность на отрыв по этим плочадкам, происходит акт отрыва (вертикальные жирные линии на рис. 1,в, обозначены "в"). Эти акты регистрируются в виде импульсов акустической эмиссии задолго до достижения предела упругости. С ростом нагрузки коИ И' и и

а.

а. щ '& г. \б{ ■

Рис. 1

личестЕо микроэлементов сд гиг—а триб в тело накапливается и при определенной концентрации их в объела тела происходит с.тлглше с образованием'макроскопической плоскости сдвига со (рис. 1,г), появление которой означает дослшение предела упругости. На пределе прочности количество таких плоскостей достигает максимума. В реальных материалах эти плоскости проявляются как линии скольжения Ч о 1 о ва -Л е д е рс а.

Прочностные и деформационные характеристики тела определяется прочностными к деформационными свойствами микроэлементов сдвига и отрыЕа, говлеченных в деформационный процесс. Условие предельного равновесия никропары сдвиг-отрыв олисиидетел следующим уравнением:

Та2 ~Тгаг+(ер + <эг)а -Ё-сох^ (!)

где а - размер нккроплоцздки сдвига; § - размер никропдоаадки отрыва;

Т - ( В, - $ )/ 2; Т) - предельное сопротивление сдвигу по микропдопадке а; 6р - прочности на отрыв по мккроплокадке "в". Б' модель залокенн у.аханизни, отражавшие увеличение прочности, продело*- упругости и пластичности материала, увеличение угла наклона плоскостей сдвига й) и снижение коэффициента необратимой поперечной деформации с ростом бокового давления , наличие максимума разрыхления при определенном уровне .

Однако, полученные в последное время результаты экспериментальных исследований (изложенные в главо 2, О показали несовершенство данной модели в отражении механических свойств' горных пород в условиях высоких давлений и брльпих пластических деформаций. Креме того, в модели не раскрыты механизмы и факторы, определяющие максимальную степень упрочнения материала с ростом уровня бокового давления а также диапазон боковых давлений, в котором имеет место рост прочности и предела упругости материала с ростом .

Анализ существующих теорий, вклю^я и модель Отаврогииа А. П., показал отсутствие теоретических работ, направленных на разработку физических механизмов запредельного деформирования ^орьих пород в широком диапазоне условий, включая область высоких давлений. Для горного производства теоретическое освеще-В^'е стого гопроса имеет большое значение, т.к. всюду, где по-

рпд1 подвергается полному' или частичному разрушения, в тон чг.с-/.с ti в приконтурной зоне выработки при действии высоких напрет-» :",f.i говаденио породи определяется со запредельными свойствам,

Экспериментальная изученность этого вопроса на момент г.ача* ля fiuloTu над диссертацией косила обрывочный характер. Опублгс-I •>:■viivo работы Ардаяова К.А., Бреди В.Т., Бгнявокого З.Т., Грэхолюкого A.A., Ильин о ва М.Д., Картасова D.H., Лодуса В.Б., ¡'г/гьяетд Б.В., Фадеева А.Б., Сигха Д.П., Халлбауора Д.К. и др. но ::: зге л я.-я судить, например, об особенностях механизма дефор-маг.яонного процесса за пределом прочности материала, приводяио-го к снижению модуля спада с ростом бокового давления, о закономерности увеличения остаточной прочности с ростом и т.д.

Современные представления о процессах разрупеиия, связанных с потерей устойчивости, отводят также одну из определявших ро,7бй а формировании степени динамичности разрувения запредельным свойствам разрушаемой породи. Подробиоо изучение этой стороны вопроса, с цельо выяснения механизма перехода энергии упругоскатогэ массива в другие виды енергии, определяющего баланс энергии процесса хрупкого разрушения, яыяется актуальной задачей, имевшей отношение к теории горных ударов, их прогнозу и методам борьбы с икни. Анализ этой ветви теории горних ударов, в развитие которой внесли большой вклад Авораин С.Г., Петухов И.М., Бич Я.Л., Линьков A.M., Кук Н., Салвмон М. и др., показал существенные пробелы, вызванные отсутствием экспериментальных исследований знергооймемшх процессов при хрупком разрушении горних пород. В частности, не выяснена роль исходных энергий, выделявшихся из двух источников: разруваемого объема и боковых парад, э формировании динамичности процесса разрушения; но раскрыт механизм « закономерности перевода потенциальной упругой енергии массива в энергии разрушения, кииетическ'/в энергий разлета осколкоа, сейсмическую и тепловую смертей.

Динамический процессы разрушения, характерные для горных ударов и внезапных выбросов, накладывают свой специфику на формирование прочностных и деформационных свойств горних порол н энергоемкость их разрушения за пределен прочности, гоэтеху для осуществления Ha::oojjee достоверного прогноза степени динамичности гозмэжного процесса разрушения необходимо иметь ис-•крпигавэде сведения и по этому вопросу.

С механическим состоянием горних пород в приконтурной зоне глубоких и сверхглубских ск1чшш связана эффективность широко применяемого споссба поддержания устойчивости стенки ск-вавшш о поыоцью воздействия на неё давлением, создаваемым столбом буровой жидкости. Механизм упрочняемого воздействия давления на офгиклеууз сро^у недостаточно исследован и с этим связана, в частности, шч^с-дсказусхость эффекта изменения устойчивости стенки скшжш.ц со снижением или увеличением удельного веса буровых растзоров, сткеченная при бурении ряда глубоких скважин.

Учитывая высеигльгонное, достижение поставленной в работе цели осуществлялось последсштелыши реаением следугвих за-лач:

I. Разработать комплекс исследовательской аппаратуры, позволяются проводить сирокоыасатабныо исследования физико-механических свойств горних пород при широкой вариации условий, имевших место на больших глубинах.

2. Прогости комплексный исследования физико-механических свойств горных пород при высоких давлениях с изучением механизмов, обусловливающих проявление упругих, прочностных и дефзрма-гчошшх свойств ыа всех стадиях нагруиенил, включая эаг/е. .¡льнув область.

Изучить свойства горных пород, ответственные за обеспечение устойчивости глубоких выработок, во взаимодействии с внея-цимн факторами, а такхо процессы и механизмы, связанные с на-русением устойчивости, вклвчая динамику и анергообкенные процессы.

3. Опираясь на результаты экспериментальных исследований, а такго ка существующую теоретическую базу, разработать физически обоснованную модель состояния горных пород в условиях высоких давлений, отражающую реальные гроцесса, протекающие в материале при его деформировании вплоть до разрушения, и механизмы, обесш чиваючко формирование упругих, прочностных и деформационных свойств горных пород в широком диапазоне условий эксплуатации.

4. Разработать энергетическую модель взаимодействия системы "разрушаемый объем-боковые породи", отражающую реальные механи.г ш трансформации энергии упругосжатого массива в динп-

мнческих процоссах, типа горных ударов.

Во сторон глаье изложена методика экспериментальных исследования. Для того, чтобы сделать ногкП иаучг.ий пзг з раскрытии физической сущности какого-либо явления необходимо получить новуз неизЕССтнуа информации о предмете. В экспериментальной флзико и механике эта информация /обнглетоя путем экспериментального изучения сгойств объекта на бояоо высоком телничоскои уровне, в более пирэком диапазоне условий испытания и т.д. с излученном новых гакономсрностсй к зависимостей. Как правило, для проведения таких исследований приходится прибегать к разработке итого оригинального экспериментального оборудования, которое позволило би заглянуть в неисследованную область.

Поставленные в данной работе задачи, так'ло потребовали разработки комплекса нового специального экспериментального оборудования. Бое разработки выполнены на уровне изобретений, на которые получено 17 авторских свидетельств. Предметом изобретений явилось, ::ак оригинальные конструктивные решения установок э целом, так и отдельных их узлов, а также способы проведения испытаний горных пород.

Диапазон охватываемых в установках давлений и температур соответствует глусинам до 30 км (6*2= IC0Q ИПа, t" » 6С0°С). Установки позволяют проводить изучение : точностных и деформационных свойств, исследовать изменение объема и развитие порового пространства, изменение проницаемости, влияние порового давления на механические свойства, изучать Солвнс энергии процессов хрупкого разрушения с вариацией жесткости нагружающей системы в пределах трех десятичных порядков, елия-ние скорости деформации на прочностные, деформационные и энергетические характеристики горних пород (диапг^он изменения скорости деформации от С/ * 10~^с до 6, = 10 с"Ъ. Установки выполнены в кестком варианте с обеспечением рекордных показателей жесткости (до 2*ю' кг/см), что дает возможность проводить исследования в области запредельного д'формирования на самых хрупких горних породах. Разработаны методики, позволявшие исследовать влияние агрессивных сред при еысоких давлениях и температурах на механические сеокства горных поред. Разработка всего оборудования проведена автором

совместно с А.Н.Ставрогинын и, на начальном этапе работы, с Е.Д.Певзнером.

Прогодокно экспериментов на кавдой пз установок отличается высокой методической проработанностью. При отработке методик было испытано несколько сотен образцов горных пород и другого методического материала. Широкие возможности установок, оригинальность и надежность методических подходов позволили ревить поставленные в работе задачи.

Разработанные установки внедрены в лабораториях ЕНИМИ, Ленинградского горного института, Новосибирского ИГЛ, Института физики и механики горных пород АН КиргССР.

На рис. 2 изображены принципиальные схемы двух из десяти, описанных в гласе 2, установок - кесткогои температурного прессов для объемных испытаний материала до продела и за пределом прочности при скоростях деформирования от £/ » до 6, • 10 с"1.

Рис. 2

Характорисгахи установок

Ю7 н Ь-105 кг/си;

Swi'^-esb upssca гСГ.'ЯЛКЮе гидгавлкчоскоо

г г ore о yoivi:io "л/" г.г-.л'.-ш:! гекпература

М,

- 300 ¡1 IOCO !Ша;

- 2000 »1 500U кН;

- ZO и 6СО град. С.

S.'-cr.iOM ;:ссладоя5!шП ямялкеь сбразии горных пород раз--i"r;:-its «;геэ (более ';0 ра?нор.1дазствЯ). среда «их руди, угля, ссо:, S:c:'2Eat5e r.opc.;u осадочного а уагиатшескогэ пропехевдг-

прягало, ясслаяогдвкя гзксяексрносгсй язмоме.чня "2г.»с-»»ехпггсчегкях свойств горках пород пра различных гидах :'яздсГ.ст«:я, в пергу» оперодь, прводзаясь .ча методических ■ "лрпдах (различного тзпа нр^орах и гранитах), отличасцихея эдеекгй степень» гэспроизгодшости изучаекых параметров, чсэ даидо ?аз::с»!веть надеяно выявить изучаема закономерна«!.. Затем, уста«©:« синие глг.о::з::ориости • подтверждались на других порода;:.

Все иссде/ош-ЕЯ в условиях обменного аеравнококпоаонтво-го сг.атяя проводились по с?: г у? (Г. б^ . Оксверкиен-галлнйо

работа, а1полн«!!Шв Фи.^опояко-Горсдиче;«. И.!!., Малиеовш И.О., Псгп.спиык'Е.Й., Чирковым С.показали несуцсстим.'коо плияиио средгей компонент« глл:.;:и.ч ааяряяечкй на прочности1.») и декорационные СЕОйстха горних пород. Ггг:::;;! ке "авторами обоснована £о::-:гк:;!0оть иепяльгогаиил раз/льтлгоз, получс-«1:и.ч ь уохоххях равеистга келду-друид j!:iH:i:i?,in:a!'.;i главами» компонента.:: кап-рянеаиЯ. для оценки сг-онстз пород ь условиях, когда ¿со хошокеата различии»

В третьей глаао прогкзяазаргавя 'некоторое ыэшо схсп-эрц-»?е«тслт-;!ао резулЬ^асв, • кеучтекнив в нодойк А.П.Ставропша.

I. Пригздсш 'рог-уямтл» исследования оользих пластичэсййх де5йрм.шка- ropaux пород арз'ггссках лазашгях, прз.-пракягязе с цель« asyenw кехшюгмз раэглтпя -де-рорлацненкиз процессов в ' этих усяегаях.

Лестахенно декораций, с получением дол-хо^зрних

сведений cd игказениях аппряаопио-де^оркироданного состояния «спгтавапмых ойрагп^в, градицаетгик епоссбг* па прэдстааглстоа i!02mc:-:u:!w иг-га испоизрио^о увеличения размеров об-

pi-гца с образованием бочкообразно?. (for:::;. Эугпоримснта, г,tar.;-

в

¿винив О.А.Еиркесои по оригинальной иотодике, заключающейся в многоступенчатом дсфоркирогании одного и того ае образца с периодическим яротачитяпе.: наружной поверхности его до исходных размеров,, позволив дес'лкь продольных деформаций в материале, равных В/ " 1300 * 10™3 (и истинных единицах). Исследования проводились на обраьа;?. мрамора. Эксперимент показал, что достижений предельных ьйе'лшкй прочности при высоких давлениях происходит при создай.;;'- оолыаих деформаций в материале,

так, например, при ■» сОО 1Н1& предел прочности соответствует уровню &! " $'¿0 Б деформационном механизме модели Ставрогина А.Н. но гадоаеаа знойность развития такого уровня продольных деформация. Предсаыше деформации в ней определяются ^воэмоаностьв смогший по плоскостям сдвига О , величина которого ограничена репером ыикроплощадки сдвига "а", и количеством плоскостей 6) , участвующих в процессе деформации. Ак&яиз показал, что эта схема но допускает развитие больших деформаций, достигнутых в экспериментах.

2. Приведены результаты исследования структурных изменений в деформированном латериало. Исследования проводились иотьг дом ситоеого анализа и сравнительным анализом илифов исходного и деформированного материала с использованием опт.ическог' а растрового одектрошюго микроскопов.

Ситовой анализ проводился на образцах мрамора, подвергавшихся различной степени деформации (от 10 до 60 ¡5) при боковых ^явлениях от = 0 до 6? ° 800 МПа, что перекрывает весь криволине.лшй участок паспорта прочности с выходок па участок независимости от . Деформированные образцы разбирались руками на отдельные фракции, сохранившие целостность, и просеивались через комплект сит. Анализ результатов показал, что степень измольченкя породы увеличивается с ростом 6*2 лись определенного предела и остается неизменной при более высоких давлениях. Изображенные на рис. 3 функции распределения процентного содержания фракции различного размера в деформированных образцах мрамора при (>2 , изменявшемся в диапазоне от 10 Ш1а до 800 МПа, практически совпали. Сопоставление этих функций с- функцией распределения, полученной при петрографическом определении размеров зерен в недеформированном мраморе (изобра ена крес.икаии на рис. 3), позволяет сделать вывод о

тон, что в данном случае, деформационный npour.cc развивался про-ииуясзтЕОНмо по 'меяэе-¡-сг:;:?му прссгрзистгу с сохранением зерен, как вдеиеитоэ структура. А зто означив?, что минимальное расстояние между ссссгл.':'чи плоскостями сдвига О , а тпгссе наинкзльгаЧ рогкор, об-разувттал з деформиру-VI ич ¡/.г ¡и I _ * еном маториале, !*икро-

прозздеа отрыва, входя-^ «их о плоскость Й ,

ограничен!! размера?.:! структурных элементов, на которые дробится материал. Эти розуяьт&ги г.одгворгдзиа микроскопическими ко-, следованиями структуру деформированных образцов !-.ра*шра н песчаников, шполнешшо Юрель Р.Н, и Кор?иош:< В.Г* •

В модели Ставрогкна А»Н. рззпеп :1икропдсг,адск отр!ва "в" не имеет ограниченна и уиеяьнастся с роете. 62 до бесконечно казах величин, что приводит К' пртигогзчилм при .¡оглПках применить модель для объяснения'напряг^гай-дсфоршроЕазшого состояния и еффектоэ 1!х сспровэадангж при здевких . В частности, не представляется взгяоэзши дать объясисНго описанному ниже экспсринеитальнвку. факту, гг.ергиа оСгаругкшиоиу авто- ' ром» •

3. На рис. '{ кзобраяеки двзгракни тпстаоств пределов' упругости Ту и продолов прочности Т/г зт геличп:и бокового давления £Г2 (пасгорта упругости я пречн стн) для-мрамора. ' Пунктирная вспокогатгдьная линия, прздетмлягваа собой лнпиа ранних значений и Т позволяет оценить сзотпс™пчио между предельикми з"ачснг.Я!:и прочности (упругости) и уровнем боковых давлений в апыто. Угол именно предела упругости а предела прочности с ростам наблгдастся до тех пор, пока уровень ■ , при которой происходит испытание материала, па сравняется со значением Ти или гГп , т.е. пока не произойдет перс-

сечение паспортов упругости или прочности с цукхткрноп линией 6"2 . Условия в точке поресочения таковы г

■ г

Т.

„ Ч,Р » <2>

Такой характер этих зависимостей является общ;;: для НТТ. В . глзво 4 раскрыт механизм реализации обнаруженного свойства. Подобные Еависилости' получека не трех разновидностях мрамора, таяькохлорятв, буром угло, известнлко, кирпиче;

. т

гзо

т чао

Рас. <,

Приведены результата ояспер-.шеиталижх исследований запредельных свойств разлачиык горных яэрод в ьироксм диапазоне оокошхдаыений, предпринятая с цель в изучения механизма запредельного деформирований. С этой точки зрения наибольший интерес представляет слодувяио результаты:

1) с'Переходом чорзз предел прочности ларувастся равномерность развития поперечных деформаций и поперечной фильтрации в различных направлениях, что связано с уменшенаеи чкс;;а плоскостей сдвига (линий сколькения), участвуешь в деформационном процесса;

2) часть линий скольжения, проявлявшихся на поверхности образца, пракранает свое развитие и по иере сникенкя несуией способности материала процесс деформации концентрируется на всо моньоем их количество. Разрушение происходит по слабей-вея плоскости;

3) полная потеря сцепления по плоскости разрушения происходит при достижении оотаточной прочности;

к) объемные деформации, связанные о развитием трецицова-

"í-f , »рэхрэдствя з кшдаи на сстатвчнуо прочность;

5) пря яюоких дагленнпх кзтер-.'.ал но подвергается разву-xwt с «Срагомнагм плоскости сдвига, как ирч няэхнх См , и

сцегиенио. Снижение несусей способности обгчскяотся ра2;>::?л«ч в нам пгрогого пространства;

6) с ростом остаточная прочность растет тлеть до досrmí.tüui уровня млксиналыгоЯ прочности. Равенство меаду

я 1- п:ая достигается при шходо паспорта максимальной прочкзс-?■'. на горизонтальная участок;

7) Модуль спада М с ростом 6g умонысается и стремится а 0. !1 » Ü при 100Т • <ишк

Приведенные в данной глава результата являются кдвчеетш для устранения недостатков и противоречий, содер.1авихся в модели Ставрогина А.Н., п слузат экспериментальной базой для супе-ственяого ее развития.

Четвертая глава посвящена исследованию физической природы и механизмов формирования упругих, прочностных и деформационных сгойотв горних пород при разных уровнях бокового давления и разработке на основании раскрытых механизмов и на базе модели Ставрогина А.Л. более совершенной статистической подели деформированного НТТ, а тахае универсальной диаграммы механического состояния горних пород и универсальных паспортов прочности и упругости.

Согласно статистической теории А.Н.Ставрогина все макрохарактеристики НТТ (прочностные, упругие, деформационные) формируются на уровне структуры. Например, способность таких материалов к упрочнения и увеличению предела упругости от действия бокового давления обусловлена возмоиностья образования в них при нагрухенки микратрецин отрыва "в", возникающих в паре с иикроплоцадками сдвига "а". Боковое давления, воздействуя на микроплощадки отрыва вызывает, с одной стороны, увеличение сопротивляемости по кихропаре сдвиг-отрыв (см. формулу (I)), увеличивая упругие я прочностные характеристики тела з целой, с другой стороны, приводит к уменьшении размера площадок отрыва.

Результаты исследование структурных изменений в доформн-рованном материале, доказывающие, что уионызение плегшдок (■Греции) отрыва с ростом f>r¿ происходит не до бесконечно на-

2k

лих размеров, как пршшто » модели Ставрогкна А.И., а до размеров неразруааешх струксурьих элементов (асрен), принципиально меняет продстьЕ.!.щ.":;:л о механизме развития деформационного процесса и ивх£.нъ!зи£х формирования упругих и прочностных свойств материала.

Ввиду сушэств1-1>л8г.:я конечного минимального размера площадок отрыва € гпСг; у 1-'л им они о 6«? приводит к последовательному исключение (аапираиню) площадок отрыва из процесса деформации. Чем икс уровень , тем меньше трещин отрыва "в" участвует в форуирэтанли плоскости сдвига &) Сем. рис.5 62.< (>¡1 <6*2 ) и тек бгдьаез число элементов сдвига "а" вовлекается в плоскость га-счьг подключения более прочных элемвн-

Рис. 5

тов, ра:ее в процессе необходимой деформации не участвовавши) образуя протяжение площадки сдвига А = о • л и разворачива* макроскопическую плоскость под большим углом оС к оси 6/ Формирование протяженных площадок А создает условия для возможности развития больших пластических деформаций в материал* Процесс замены элементов "в" элементами '^"осуществляется в строгой последовательности: в первую очередь исключаются элементы "в", образованные при наиСолее прочных элементах "а", последнюю очередь - при самых слабых. В работе подробно иалО' хен механизм и условия протекания этого процесса.

Евиду того, чте рчзмер Smir. . также, как и а , в ми ропаре определяе/ся размером одного и того т>. иеразрушаемого структурного элемента, (зерна), то уравнение (1), выражающее

предельное сопротивление сдвигу по ннкропарэ, упророется

Т • Т, ♦ Ър + О)

Начинал с определенного урогнп боковых давлений ( " и О? 3 Нп ^ и ПРЦ болео г'лсоких ик значениях первая плоскость на проделе упругости и вое плоскости 0) на продело прочности образуется только из элементов сдс-чга "а". Боковое дарение в этих случаях настолько велико, что полностьп прз-пятстЕует возникновения плояадох отрыва "э" о материале. С отсутствием площадок отрыта устраняется причина,пригодякая к росту прочности и предела упругости с ростом б"« . Паспорта прочности и упругости в этих случаях достигает горизонтального участка, а напряжение в тело значений Т£ ила Тя .

. Исключение из плоскости О последней плсдадки отрыга в" и включение вместо неё в процесс пластической деформации элемента сдвига с прочностьс (см. рас. 4,в)

происходит при уелогни, когда сопротивление по плоиадко в" правзо!1дет сопротивление элемента а!<:

'Поскольку для горных пород 6р«Ту и тем более 6р«Тп, а кроме того, вклад ор и формирование упругих л прочностных свойств гориыя пород при 6*2 д к " рзпзи кул в (как будет показано дальне), то выход'паспортов упругости а прочности на участок независимости от происходит при условиях 6$ " Ту и • ТЦ , что подтверждается экспериментом (см. рис. 4 и формулу (2)).

Из уравнений ('»), (5) вытекает, что подвэргаться упрочнения (увелнченйп предела упругости) от дзйстеия оокогого давления могут только такие материалы у ко: ,рих прочность на отрыв меньао прочности на сдвиг 6р<Т^ (и (>р<Ту ), т.к. при бръТд , 0. Некили, например, у которых эти пока-,

затеян одинаковы; не изменяют свои прочностные и упругие свойства под действием Сокового давления. У горных пород и других неоднородных материалов степень максимального упрочнения зависит от различия в этих иоказатодсх, однако не определяется прямой их. разницей, т.к. прочность на отрыв является лииь

одной из составлязвих при формировании сдвиговой прочности материала.

Согласно модели прочность (предел упругости) неоднородных материалов складывается кэ сопротивляемости всех элементов сдвига н отрыва, входя ей ¡с в одну из плоскостей и) на пределе прочности (упругости): ^

*atco

количество элементов сдвига

(6)

гдз m - количество элементов сдвига "а", воведаих в плос-скость СО ;

К - количество олементов отрыва "в" в плоскости D .

Наличие в одном уравнении характеристик касательных и нормальных напряжений является следствием взаимообусловленности этих показателей в рассматриваемом механизме развития деформационных процессов. Вклад сопротивления отрыву в обцув сдвиговуп прочность (предел упругости) материала определяется уровнем 6р к числом площадок отрыва, участвующих в формирований плоскости CJ : при <ÓV «ли 6г - Ц

доля ста равна 0. при ' ■ 0 - определяется велн-

s~Odt с? 0¡l

чинами Ьр и , пра ' равна прочности на отрив (см. рис. 6).

Поскольку ИТ? состоят из множества различных по сопротивляемости микроэлементов сдвига и отрыва, то прочностные и упругие свойства тела в целом при любом Рис. 6 уровне 0J будут определяться

тем, какие по прочностным характеристикам микроэлементы войдут .в сформировавшиеся плоскости 0) и каково их количество. Количество' же элементов с определенными приччостными характеристиками Tt¿ и Gp¿ зависит от их концентрации К в объеме тела, т.е. от функции распределения К - Ти и К - Col ,

В работе предложен способ построения К - для реальных

горних пород методом соотватстгусп'.оа обработки зг.спориканталь-но опредаадшых макрохарактеристш: тела. На рис. 7 изображена

функция К - Т/£ , получеш-иая для мрамора. В работе осуществлен анализ киши« , ездя функция распределения па прочности««, упругие и деформационно свойстга НТТ, а такие па характер их изменен',и при изменении 6*2 •

Поскольку принципкаль-1шя критерием способности материала к увеличение прочностных (упругих) скойств от действия нд кого бокового давления является условие буз <Т^ (или £уз <Ту ), отраиасасе возможность рагвзтия в материале микротрепин отрава ара достижении в кем определенного уровня касательно напряжения, та в работе осуществлен анализ валичкш Еклада прироста прочное*« (упругости) )

и ( ), вызванного непосредственным юадеястЕием усоличи-ватегося бокового да:ления 62 на расчитываему*) по экспериментальным параметрам суммарнуо яартикальиуо гиовздку отрава, по отношении к фактическому упрочнении лТ^ (увеличение предела упругости аТц ) иаторкада в диапазона от 0 до б"2 " б'^. С • Доля А%{ ) и л'^и ( 6*2 ^ составив для раз-

ных пород от 10'до 50 Разница ( (Г2) и )

объясняется вкладом деформационного упрочнения, которое испытывает кавдый микроэлеиь,.* "а" в процессе деформации, поскольку его сопротивляемость меняется от стегана деформации согласно деформационно-прочностной зависимости, принципиальный вид которой для трех различных по прочности зленентоз "а" изображен на рис. 8.

Определенные по экспериментальный данным зависимости л Тп - л'Сп с Ь\) от &£', л 'о п ) от гдз л£( - приращение продольной деформации на проделе прочности (упругости) при увеличении 62, фактически подтверждает это обстоятельство.

Рис.7

Рис. 8

Указанные зависимости для песчаника (а) и мрамора (б) изобраяе-1ш на рис, 9.

т

то

50

аТ^- д 'Па г)

Л '■и*

Ч I 10 лТ„-&Тл((Гг)

мн„

я

аТ

таЛ> 0

На-

газ

по

зса ю 160

41

У 8

ЯЛа

71

г*

£3 «

63

Рис. 9

Таким образом, отражая физическую природу увеличения прочности (упругости) материала, паспорта прочности (упругости) можно изобразить в виде уравнений:

+ Л л • ЛС.. + ЛЪп V У ) 1

(7)

<ГП -Т'* К^ • йб'! + Л'р (.Ьу ) Ту. 4+лТу(.6г-)

__„ ид ¿Тп'лТп(ог) ¿¡Гц -¿Ту 'оЛ

где Кп - ,у——. Ку •« — &Ь1 ' характеризуют

склонность материала к деформированному упрочнению.

.Деформационные процесс в НТТ осуществляется как непрерывный статистический отСор структурных олсментоЕ сдвига и отрыта

-¡и^ярэкшйя кз них плоскостей сдвига й) , деформация по )..Ш(53.ов иголна в данный »«смей*. Причина косгочнной .ггу«>;;)рогхя :?икрс элементов а разякчнао глосхоота С) сос-

;!.,? Е рЗЛПЧНОЙ СПОСОбНОСТИ ККХРЭЭЛШ<ЗН?0В "я" К ДОфОрипЦЯОМ-'■¡■и? упрочнения. Неустойчивый характер развито! дефорнацконно-^бцрсса, являвшейся следсгьягм непрврнязэго стотисткчпсхого у:'', ■¡•л, подтвержден экспериментально. Указанный механизм поэ-гояяя? кг.торнплу достигать суаеотяонного разрыхления прн бсл?»-а-х пластических деформациях дакв при уровне бокошх давлений, луаЗл;тагеахся к , когда число элементов отрыва, возни-

хикймх а материале, невелико. Пря этом поры, обра 1увзнеся в к-зстад никрорззрмгов и приуроченные к слабейсшм на данный момент элементам сдвига "а", распределяется равномерно по всему ебъаиу материала за счет постоянной переоценки ситуации по прочностным параметрам элементов "а". Зтот процесс аналогичен процессу "блуждания" дислокаций при пластической деформации.

Анализ результатов экспериментальных 'исследована!! запредельных свойств горных пород показал, что осредненная по всем направлениям величина коэффициента необратимой поперечной деформации сохраняется неизменной до предела и за пределом прочности. Поскольку этот показатель с позиций .статистической модели является характеристикой механизма раэвтасцегося деформационного процесса, сделан вывод о том, что о переходом через предел прочности механизм развития необратимой деформации сохра-няетсяняется. На этом основании разработанная модель деформированного НТТ развита з об-

а. (б, 5. {'6,

себя кплые по протяженности площадки сдвига, состо-яоио из одного гли небольшого числа микроэлементов "а", снижение несугсей спо-

ласть запредельной деформации. Модель отражает суие-ственнор различие в формировании запредельных свойств в условиях низких и

При низких (Г/> , когда плоскости со гключавт в

высоких боковых давлений.

Рис.10

собнссти матерг.ал& кссдс достижения предела прочности вызвано уизньаеннем шюаад;! контакта ьеаду сдьагавсымися по плоскостям й) ча величину Ай ч»с?д» материала (см. рис. 10,а). Развитие запредельной деформации ссуааствжяется по слабейшим плоскостям й) . Пдоскости.ддя сражения по которым требуются больвие нагрузки, исключаются к: деформационного процесса. Полная потеря несуцей способности (до величина остаточной прочности, обусловленной силами трений) происходит при полном сползании по площадкам сдвига (см. риз, 10,6). Сцепление между частями материала при этом полностью утрачивается.

При высоком уровне , когда плоскости О) состоят из протяженных площадок сдвига А, снижение несуаей способности материала вызывается накоплением микроразрывов и лор по всему объему материала. Больвие деформации не приводят к локализации деформационного процесса в каком-то направлении и к образование плоскости раэруиения Количество накопленных дефектов, а следовательно, и увеличение объема, пропорционально величине продольной деформации. Материал при этом сохраняет целостность и сцепление. Снижение модуля спада с ростом 6\ вызова лея увеличением протяженности площадок сдвига А, а такхе количества плоскостей О > участвующих в процессе запредельного деформирования.

На основании раскрытого физического механизма перехода неоднородного материала от зависимого состояния уровня предела упругости и прочности от 62 к независимому, суть которого отражена в уравнениях (4) и (5), в работе предложены универсальные паспорта прочности и упругости, изображаемые в координатах Г г В этих координатах переход от первого состояния ко второму происходит прч условии в/1"* * I и ЩН- - 1. На рисТ II изоб-

¿77

ражены паспорт -прочности и упругости для мрамора. Ввиду своей физической обоснованности координаты являются универсальными для всех НТТ. В данных координатах предстчв-

ляется возможность осуществлять прогноз условий, при которых горная порода будет поста себя как однородная пластичная ср-дп, процесс деформации которой будпт протекать без разится в неЯ пороЕого пространства.

Для некоторых иатериалоа и горных пород паспорта прочности, упругости, а тагаС; остаточной прочности (который ::.•>-рссек.пегзя с паспортом мпксикдлькой прочности в данных координатах та!с?;о при равенства указанного парачотра единице) представляет собс.1 зкепепекнпадмув зависимость от параметра ЧЗЛ^У и могут Сыть еыраяона следуащ'лчурашенюм:

У.

где .Т^, Ту

** %

(9)

СО).

(И)

- предал прочиост:;, узругсста я остаточной прчнос?;: пр:: одноосном сх&тии;

// , Ь , Д7 - константа. Уравнения составлены по аналогии с предложении::! Стагрэгшшн Л.И. з заЕксг.ксстп о? параметра С я .

• 3 дкезертзкаи разработана уиигэрсальпая диаграмма механического со-.тс-!!"- горгух город. ГллЕ:!'«:;1 одсиептяни диаграммы является паспорта прочности и упругости, построенные в координатах Т - (>2 , а таккэ линия разгах значений 6% я Т (см. рис. 12). В основе диаграмм» лехи? зкепаркиенталыю доказанный факт, что неравенство 6"п>Т, явллпцееся условием выхода пас-

Ш

портов прочности и упругости на горизонтальный участок, вслед-стаю "запрещения" в&зиояности возникновения и развития в нате-р;:~лз млкрзплозкостой отрыва, имеет универсальный характер и работает но только в уэлошх «очках и , из при лю-

бой другйя уровне 6"2 . Поэтому дсфорге&ионный процесс, раз-ЕЛБйзщийся при напряжениях , ко дслаадх ни-".;с линии на

диаграмм«? (зона Л), протекает без наруиения сплопиости материала, разрыхление при атом равно 0, коэффициент t/i необратимой поперечной деформации не превосходит 0,5 , угол сС расположения плоскостей сколькангя Чорноьа-Двдерса ра,ган г(50. Процесс деформации при Т> (?;_ (sous Б) сапровоудастоя разрыхленном, JJ- > 0,5 , cL < 45е.

Пути простого (пропорционального) нагруаеная, характеризуемого параметром С " , i:a дая:;ой диаграмме изображается прямции линиями (со стрелками), исходясша из начала координат. При С<-0,333 ... лучи полностью располагаются в зоне Б, при С >0,333 ... полностью лежат в зоне А.

Пути сложного нагру::е;!ия типа 6)>G2 =63 , при const изображаются вертикальными линиями. При слсаксм нагрухс-пи.! существует 3 диапазона давлений, в которых процесс деформации имеет свою специфику, В диапазоне Ï (0<62 сразУ с пора-ходом за предел упругости процесс ад от по сено Б. Е диапазоне II ( < 6";? <) после достижения предела упругости процесс необратимой деформации идет по зоно А без нарушения сплопности до значений Т » Г/? (на диаграмме до достижения лиг.;;:; ), далее с шходом в зону Б сопровождается разрыхлением, Б диапазоне III ( 62 ) деформация вплоть до предала прочности идет по зоне А.

С помогло диаграммы иожио объяснить раз*тсчий в характеристиках дТ* Тп -Ту. и аб, » б/ , полученных ври простоя и сложном (а также любом другом) путях иагрукошга и определить их значения. На основе данной диаграммы, а сакхо шера диаграмм, отражающих зависимости "напряжение-деформация" г.ри разных у ров- ' нях бокового давления, разработай способ, позволявший прогнозировать характер развития деформационного процесса при дсбон виде нагруженкя. а такие дахапй еозмокпость составлять программу изменения напряженного состояния, которая обоспочит выполнение спланированного закона изменения деформационных'« объемных ха-

кзториала.

?«гультата океперимеюадммх исследований, хрмтерил а теэ-55«г.пгс.».я9 разработки, приведенные в данной маю, имея* бол?.-

срзхтичеекоо зн&ченко, т.к. раскриаст фаахчаапю причини а ^армирования мсхашчоекпх свойств горних пород пр',1 давлйкпях, что позволяет теороткчсскияп мато/чии лс-¡•(•'»•ш» мкяшю различных факторов па прочнсстхмэ, дефор«ш-г'.ипч н „-клатансиониио свойстт пород, и на этом основании ва----л-:, пути н методы воздействия на породу, о мель» приведения о?) 'л -требуемое механическое состояние.

1. Разработанная модель деформированного ИТГ позволяет иг-с^рд-^гпть вяпяиао структурного фактора ка кькрохарактеристики нзтерпала при различных условиях магружения. Если исходные ха-рзктериетнан структур:!, закладываемые в модель, будут отрезать еаосотаа реялькиа материалов, то в результате математического «од,;:'!Г1-з:.::»5%ч получить данные о состоянии этого материала з условиях недоступных для эксперимента. Это оостоятельетхл чрезвычайно гасно, например, при исследовании состояния горного гег.ества, находящегося на Соли-г.х глубинах, когда «едостакйми

а опыте г-нсокио терюбаркческио условия.

2. Разработанная универсальная диаграмма механического состояния позволяет прогнозировать свойства горних город а ло бся диапазоне боковых давлений, уровня и вида напряженного состояния, в зависимости'от пути нагрукснил. Позволяет плаиа-рогзть направление изменения иапрлланног-о состояния для полу» чеиия определенных деформационных, фильтрационных и прачке.-,?-них характеристик материала.

3. Установление универсальных критериев, определимаих условие ьез.чокности развития дилатансионных процессов з горных породах при объемном сжатии ( 6*г< Г) л условие перехода к.г эразлд породы в состояние абсолютной пластичности

а тайге разработка универсальных паспортов прочности и упругости позволяет осуществлять прогноз возможности кахс.гдения горных пород на больших глубинах в состоянии раз/плотнонип, т.о. 2 состоянии, я2и)иг'4с:4ся одним из ¡слсч«ых услопй, оирз-дсляеякх ¿озжмноет» формирогти накопляю/! ш сольсух глубинах полезных ископаемых.

В глава 5 помевены результаты и шгачиз зкег.йркменталышх

. 'уосдадод&яза .иаяаниааа сгаимодействая «езду нагруяав^ей систе-.м&й'СШ) и paspyaûat^i: интервалом » процесса хрупкого дкнаии-. Hçce&ro': jj^ajçseaaa,. применительно к проблем гор-

■i;ax:ударов...,. ..

■ Еясрше OKcnsp-.iaiï. j'Lr.o игследоган баланс энергии про. цссза xpyiuoro -раьр/пма'п гордых пород 2 условиях одноосного к . ^¿о>шсго:'сдатвя, за счет упругой энергии, на-

■ «овдшшоЯ:'перед' paspyi-cîiv;';»'. l рйзруваеяом объеме (Пу) и нагру-Жащей сцстске СГ^Д. îtocnjuv' пианизм, спредсяя»аа»5 закономерности парохода.упруге* ълсг.?,уе сжатия в другие виды энергии (¿керизэ разруаедал п т^г£р-.лх;ьного деформирования (П„), энергии . .раздета осколкон имеСателзлшх процессов, которые

coiiopaacs НагругдюйШ! ОП) после раэруиешш материалами)

•»еяловур эноркнгЦ, ?а;эсо динамичность разрушения и баланс анергии отаго 'прздассс.

, Выяглеза роль аяарин: Яу и Пп в создании динамических эффектов. разруваинп» Экспериментальные исследования характера разрушения хрупких в прочных горних пород в условиях жесткого наг-рукония показали, что энергия Л„, запасенная в разрушаемом ебь-еме, полностью расходуется на процессы деформации, »решюобра-. э.гашмь разрупешш, рассеивается в вкдо тепла, энерг::и 'а: ети-ческой н злехт.рсмегшт!0й эмиссии, а в виды энергии, связанные с динамикой ;процесса~разрупенил, не переходит. Источником дина-«ичосииу. Рйектов (разлет. осколков,, колсбательныо процесса упруго восстанавливающейся зоны КС) является энергия Пи, запасенная перед разрусенкем s НС, и расчет динамических составля-' сцих баланса анергии необходимо востк исходу из этою потенциала упругой анергии.

» Экспериментально установлено, что отношение кинетической энергии Пр разлетающихся соколков к энергии Пк колебания iiC определяется соотнесением мессы тр раз^увенкого материала и колеблющейся массы Л7,( }Ю :

Ht * ait (is)

• >h тн

. Полученное соотношение говорит о том, что куски -разрупенно'го материала приобретают скорость разлета за счет разгона их упруго вогстанавлишсиейся массой НС (принцип действия рогатки).

Установленный механизм поредачи кинетической энергии от ПС разрупаеиоиу материалу является универсальным а присущ всем явления», связанным с хрупки« разрушением материала пагру-ая-цел снстомоп, л том числе и горп:;м ударан.

Экспериментальные определения других составлявших баланса энергии показали, что доля энергии Пт п обвел балансе процесса разрупения при одноосной сжатии мала (менее I ,*), поэтому для расчета составляющих баланса энергии П^ :! Пк, определявших динамичность процесса разрупения, мотто пользоваться уравнением:

П„ - П. + П_ ♦ П*1"1 (13)

11 р X 3

Взаимосвязь незду составлявшими баланса и скорость разлета осколков опнснваятся следувчгом уракгенняо;

П_ - -(14)

Р т* + тР т

пГ -п„-пха-^) (16)

гпн(1 - п^!Ш/пн)

Численные значения всех энергетических параметров рассчитывается на основании деформационно-прочностных характеристик систегеы "разрупаеинй объем - бохонш породы". В работе дан пример рассчета динамичности раэргупон:-:я целика э выработке.

Приведены оксперггментаяькаэ исследования елилния изменяемых н широких пределах значении ряда исходных параметров (иесткости КС, Пк, Юн , Пр , вида напряженного состояния) на производные составляла баланса энергии Пр, Пг, П^ии и дру-1Ио фактору, хараАторззувцие динамкчноств разрупения (ско-.рзсть деформации и скорость разлета осколков)..Установлено, что энергоемкость раэрупония о динамическом неуправляемой ренине (Пд!Ш) о .-дичаетел от энергоемкости топ же,породы, определенной в условиях статистического раэрувсния на жестком прессе (П°т). Причем обнаружена два класса пород по способности их необратимо поглодать работу реформации: породы первого класса показали возрастание П^"'1 по отнопешю к П°т, по-

3 с

роди второго класса - наоборот. Зависимость от возрас-

тавшего уровня энергии Пн, запасаемой в НС перед началом раз-русения, имеет тенденции к нарыценкс: начиная с определенного уровня дальиейгее увеличение П(. перостас? влиять на значение Пд1:н. Б работе дане объяснение этому факту. Максимальное отно-ыеьие 11дИЯ/ПдТ для некоторых пород составляет 7-8 раз. Скорость деформации (разрушения) при данном способе передачи энергии также ограничена определенной для каждого вида породы величиной ¿/таи' «селвдоюиннх песчаников Донбасса, напримор,

» 6-Ю .с"1.

Баланс энергии процесса хрупкого разрушения в условиях объемного напряженного состояния имеет ряд особенностей по отно-пенив к одноосному:

1. Разрушение не сопровождается разлетеом осколков, поэтом, в балансе отсутствует соответствующая доля аюргин.

2. Вследствие сохранения остаточной прочности, обусловлен-!-ной силами трения между частями разрупенного материала, значительная часть энергии, которая может достигать десг.г-коп процентов, переходит в тепло (Пт).

3. После процесса разрушения в системе "раэрукае^ый объем-

пОСТ

боковые породы сохраняется упругая энергия П^ , благодаря на личию остаточной прочности материале.

4. Ввиду того, что в условиях объемного сжатия разрувени.с происходит в форме сдвига по плоскости разрушения и энергоемкость ее образования пропорциональна сё плоеади, в то время, как количество упругой энергии, выделяющейся из окружающего ез упруго восстанавливающегося объема, пропорционально величине этого объема, то, во-первых, динамика разруиения увеличивается с ростом размеров разрушения; во-вторых, существует минимальный размер плоскости разрушения, обусловленный энергетической возможность» её динамического образования.

Расчет полного баланса энерг'.-ч осуществляется на основа-« нии анализа совместной деформационно-прочностной ,*иаграммы (см. рис. 13) разрушаемого материала (АЬСД) и характеристики жесткос ти НС (ВК).

Пу ♦ Пн * Празр. + Пт ^ "к + "Г

С целью выяснения механизма развития деформационных процессов в условиях динамического разрушения,исследовано вдияние

скорости деформации в диапазона от £, КГ6 до Ь, - Iü0c"1 на характеристики развития деформационных прсцяссоэ з породах первого класса. Установлено, что скоростноо воздействие вызывает изменения в механизма деформации аналогичные тем, которыэ нмегт место при игмензиии уровня бокового давления. Причины этого явления объяснены с позиций статистической модели деформированного 1ITT. Условие выхода паспорта прочности на горизонтальный участок в этом случае имеот следующий гид;

6-2 ♦ 6(18)

Экспериментально установлены закономерности изменения запредельных прочностных и деформационных свойств горных пород при вариации величины скорости и уровня боиогого даглемкя, на осно™ ваняи которых разработан упрощенный способ сценки влияния скорости деформации на энергоемкость разрушения для пород с боль-пим разбросом механических свойств. Способ прчзяак изобретенной.

Практическая значимость результатов проведенных исследований ьзклпчпотся в тон, что на оси о танин раскрытого механизм перераспределения энергии в процессе хрупкого разрушения, проведенного анализа факторов влиявших на него, отслоются возможный расчитывать соста&тятаке баланса анергии гтого процесса и предеглзывгль ого динамичность. Представляется Еогмо:тиость осознанно влиять на исходные параметры для нппратлениого нсмсне-г.ш. динамических составляет« баланса энергии. Эти вопросы актуальна при оценке удароопасности ситуации э rup--i.rtt.Ttsc л проведении мероприятий, связанных с предотвращением горных ударов.

Разработанный ynporcs'r.'ufi -спззсб оценки клешня скорости дформации на ^еханичсскяе и энергетические характеристики горних пород, позволяет осуществлять эту оценку в узлевкях, г/,о тг1дкцио:шие мстодн не прпп'ииы, на порода:; с больиим разбросом прочностных, деформационных и энерготечиских показателей.

В глава 6 приведены примеры, иллюстрирующие применимость представлений, разшьздмих аьтором в данной работе, о механизмах развития деформационных процессов в горных породах в условиях действия больших давлений, при ролении некоторых задач горной геоиеханики.

1. Приведены разультстн исследований, посвященных поиску наиболее аффективного .гю-.,об.! дробления кристаллосодеркащей породы с обеспеченной полной сохранности извлекаемых ценных кристаллов.

Ценные кристаллы, например, алмазы, отличаются слабой сопротивляемостью динам кч ее им нагрузкам и концентрированному воздействие напряконии. Традиционно применяемые способы не устраняют источники указанны» вродных воздействий на кристалл.

В результате исследований предложен способ, в котором динамическое воздействие полностью исклвчено путем осуществления дробления материал* в условиях жесткого иагрухения, при котором нагругаюкая система не запасает в себе упругую энергии, шляющуюся источником динамики разрушения. Концентрации напряжения, в яом числе, отрывных, исключается помещением материала в условие объемного сжатия с уровнем , обеерьчнва-оцем исчезновение тревдн отрыва в материале при его дс ю^атш.

Разработанный способ признан изобретение» (соавторы: Ставрогин А.Н., Боровиков Б.А., Козеев A.A.).

2. Приведены результаты экспериментальных исследований .упрочнения горних пород давлением жидких к газообразных сред, проведенных применительно к проблеме поддержания устойчивости сквакин на больш'.х глубинах. Исследовалось также влили не давления реальных буровых растворов на образца пород, извлеченных из глубоких скважин.

Установлено, что степень упрочнения зависит от степени проникновения флюида в поры и микротррцины материала. Эта по причина лежит в основе обнаруженного экспериментально эффекта, закл! чающегося в резком снижении прочностных и деформационных способностей материала после перехода за предел упругости, когда на .инается интенсивное развитие трецинообраэо-вательных процессов и, как следствие, увеличение проницаемости породы.

С епень проникновения обжимающего фльида в материал пооог.

\

оказывается на характере паспортов прочности: увеличепиз степени проникновения приводит К СНИППШШ у5Л':а гнутрсцнэго трз-нип. Обнаружено наличие максимума на паспортах прочности, построенных в зависимости от величины об^гагакзего датитошш Р (при Р я Р,,,,). Снкленио упрочняющего воздействия' при Р> Р об-.чс-няотся увеличение!» проницаемости породи счет силового выдавливания л*лпида в поры материала, Лавлеипл Р,,п является оптимальным и может слухгать криторасм для подбора удельвого го— са раствора, о цель» обеспечения наибольшей огЬфег.тякюстп поддержания стгола скгажинн. •

Установлено снижение эффективности уптепие^'.я с увеличением температуры. При определенной тенпор-.туро £:>";■ зкг упрочнения пропадает вов~е. Этот факт объясняется сптасииеи вяз- . кости жидкости о ростом температуры, что приводи? " увеличения проницаемости. С позиций статистической модели сопротимясмоста плоскости сдвига и прочностная характеристика'кагоркала в целом, при воздействии на него даглешш ^.лх'/да, опрскогяотоя шраяо-иием: /.„,

^и'^а " ~~т-— , (19)

гдо 1 - число пор, образованных плог.адкаки отрыва "з", в которые проникло давлений Р.

Изученный механизм упрочнявшего воздействия давления фла-ида на породу позволит сориентировать направление ксследогзкип при разработке буровых растворов с более высокой оффектишостьв упрочнявшего влияния па породу,, а определенные критерии применимы для подбора удельного веса буровых растгэроэ.с цздьа обеспечения максимальной устойчивости стопок скважики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б диссертации получен ряд новых экспериментальных резуль-* татов, закономерностей и критериев, раскрывающих физическую природу формирования механических свойств гарных пород при высоких давленьях, на основе которых разработаны-новые теоретические положения, совокупность котэрчх является крупном достижением в развитии нового перспективного научного направления физики горных пород, вскрывающего ст тистическую природу г.роч-

ности и деформации горних пород.

Оснохшыо маучзшо и практические результаты работы заключаются В следующем:

1. Новые критерии:

. - установлены физические критерии перехода пределов упругости и пределов прочности, от состояния зависимости их от уровня бокового давления (криволинейный участок диаграммы Нора) в состояние максимальной пластичности и независимости от 6*2, определяемые численным равенством кевду уровнен бокового давления и уровнен касательных напряженна б материале на продело упругости или на пределе прочности;

- выявлен физический критерий, определяющий условие возможности развития дилатансионных процессов в горных породах при объемном сжатии, состоящий в численном превосходстве уровня касательных напряжений, развивающихся в материале, над уровнем бокового давления;

- раскрыты физические критерии, определяющие принципиальную возможность упрочнения и увеличения предела упругости горных пород (и других неоднородных твердых тел) под воздействием боково.о давления, а также сипень ото го упрочнения и диапазон Соковых давлений, в котором наблюдается влияние уровня давления на указанные параметры. В основе критериев лежит соотношение между прочностью материала на сдвиг и прочностью на отрыв.

2. Новые закономерности:

- установлено, что с ростом уровня бокового давления увеличение пределов прочности и упругости горних пород осуцо-ствляется за счет двух факторов: воздействия 6"2 на образующиеся в деформируемом материале трещины отрава и деформационного упрочнения по элементарным площадкам сдвига, причем, величина вклада последнего фактора составляет от 50 до 90 % и прямо пропорциональна величине прироста необратимой деформации, развивавшейся в материале на пределе упругости или пределе прочности в условиях объемного сжатия по сравнению с одноосным;

- установлено, что разница между величинами максимальной и остаточной прочности горных пород при высоких давлениях уменьшается и обращается в ноль при условиях, соответствующих ьи-ходу паспорта максимальной прочности на участок независимости от Со ; •

- установлена неязйзкность косффнцнента необратн.чоЯ попо-роч.чаа деформации с переходом из допрэдельчой э запредельную (??ггст!> деформирзгаккя; ,

- устаноплс:«, что степс-пь игкельчеиия каторпола горних глро,1 прч'дефорешии их в условиях могторояного скатил угоям-ма^езге*» с рсстоа бокогого давления лиаьД9 определенного про-

и остается неизменной-.пра болеа гасойих ¿аазеиэдх;

- установлены гапжсиерпсета яврврмпроделяш упругой зперта, накопленной з нагругакцеЯ сиатс.чз и нзгрухпеисм ойге-"-Ч ^ ~ругна еидн снорла! з процессе, гулкого динамического разрупеияя (бадана оиаргкя), а -частност:;, откоаснио оиергля р.чагегасдихся осколков к энерг::а колебания нагрузкагязп сясте::ы определяется соотнесением масси разруасилого кмериадй н ко-дейлвзейсл иассн нагругагщеЯ сксгека;

- установлено, что в процессах динамического неуправляемого р-рупс!.'!!,'! обьзнз материала, осуществляемого га счет упругая ояергхи П.,, накопленной з нагруяапасП еистеио при нзг-руяевии и дефорвдки ?того объека, сшэргоеккость рагруаеши материала изксняется (угеличимется или уагаьсается я загаси-кости от типа породи) с ростом П^ яязь до определенного для каздсЗ породи предела и сохраняет- достигнутое зизчсп.:з при более высоких значениях.

Э. Поныв теоретические разработки:

- на базе статкстическоП модели дефориироганкого твердого тела А.Н.Стзврогина разработана более совершенная модель, от-разкаккая физику процессов формирования упругих прочностных еголств горных пород в условиях высоких давлений, а также механизм развития больакз необратимых деформаций э них. Раскрыта роль структурного фактора в определении всех кеханичеекпх свойств пород. С новых позиция разработан а детализирован механизм статистического отбора элементов структуры, вовлекаемых в процесс деформации. Модель охватывает область запредельного деформирования;

- разработана универсальная диаграмма иеишичсского состояния горных пород, отражапцчя проявление прочностных, упругих. деформационных к дилатзисионннх свойств горгих пород ъ отроком диапазоне гидов напряженного состояния (от одноосного р .стяаения до трехосного сгытия под боковым давлением, ссот-

ч

ватствусщен горизонтальному участку диаграмма Мора) и путей нагруаения, и основе которой легат зависимости касательных пап ряжений на предаю прочности и упругости от уровня бокового давления; раскрытий дидатьнскошшИ критерий, определяющий условия возможное?;: развития дилатансионных процессов в материале; веер диагра»; !'ийпряиеш;е-дефорнация", отражающих эти зависимости при разни:; уровнях бокового давяешм;

- на оенргаыин раскрытого критерия, определявшего прекращение упрочнения (и рога предела упругости) горных пород от действия возраставшего бокового давления, разработаны универ-. сальные паспорта прочности и упругости, изображаемые в координатах Т ■» —в которых прекращение зависимости Т„ от

^ Р и То от —различных горных пород происходит при Условии . ".У -> I, при втом жо условии происходит ЕЫ-

равниванио значений максимальной и остаточной прочности;

- на основании анализа результатов экспериментальных исследований баланса энергии процессов хрупкого разрушения и закономерностей онергопередьчк, присуди* такого рода процессам, раскрыт механизм трансформации части энергии упругого сжатия, накопленной в нагруаасцей системе (боксгых породах) перед раз-г,угоняем, в энергию колебательных процессов и киноткческув энергии перемещения разрусенного объема, заключавшийся « разгоне кассы разрушенного материала упруго восставали; „а. дейся частьи нагружавшей системы до максимальной скорости колсбателЬ' ного процесса, которому подвергается прнмыкавцая к разрусен-нону объому поверхность нагру^асдей систомы (принцип действия рогатки).

Ч, Основная практическая значимость результатов данной ра> боты заключается в том, что разработанные, на основг экспериментально изученных физических закономерностей, критериев и механизмов, теоретические положения является новой ступень» на пути познания физической природы формирования механических сеойств горных пород при высоких давлениях и могут служить методологической базой для осуществления прогноза прочностных, деформац-онных и дилатансионных свойств пород в широком диапазоне изменения внеаних условий и для выбора путей и методов воздействия на породу, с целью, приведения её в треОу-емое механические состояние;

- разработан на уровне изобретений комплекс непитательной аппаратуры, позволявший проводить сирокеиасатабнмз исследования физико-механических свойств горных пород» Новые методы исследований и разработанная аппаратура внедрена в рядо лабораторий научных организаций страны;

- результаты рабзты использованы при резенпн различных задач гэокеханпкн различными научными и прэчзгодеттншмп организация!!:!, например: 1П!, ЕИ'.МИ, НИИ "Гид ропроект" имени С.Я.Яука, И$иМГПА11Киргиз ССР, ПО Севуралбоксктруда, в/ч 13073 и др;

- научные и практические результаты пироко используется

в учебном процессе ЛГИ, в частности, включена э программу курса "Физика горных п«род и процессов".

Основные положения и научные результаты опубликованы в следустих работах:

1. Запредельное состояние горных пород и связь его с задачами неодчородноП теории пластичности. ФТПРГС1, 1979, №6, с. 3-9. (Соавтора: Ставрогин А.Н., Протосеня Л.Г., Чернигов А,К.).

2. Методика получения полных диаграмм "напряжение-деформация" при одноосном сжатии. Труды ШЮТ, 1979.

3. Инструкция по безопасяому ведению горнах работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горных ударам. Л., ЕНИМИ, I98Ü, 106 с. (Соавторы: Петухов U.M., Айтматов И.Т., Антонов A.A. и др.).

4. Каталог пданаетоя механических характеристик горных пород, опасных в отнопенил динамических яачеаий, с учетом запредельной области, газового'« жидкостного фахтороз. Д., ЕНИМИ, i960, 54 с. (Соавтора: Ставрогин А.Н., Певзнер Е.Д., Карманс-кий А.Т.).

5. Эапредольнио характеристики хруг. лх горних пород. ФТЛРПИ, I9GI, К? с. 8-15 (Соавторы: Ставрогин А.Н., Пеззнэр

Б.Д.). :■•■•.'■

6. Прочность и деформация горных пород в допредельной и сапределькой областях, ФТПРПЦ, & б, с, З-И (Соавторы: Ставрогин А.Н., Пиркес O.A., Певзнер Е.Д,).

7. 1С определяющим уравнениям состояния при деформировании горных пород в запредельной области. ФТПРПИ, 1981, » 3, с.33-42.

(Соавторы: Протосеня А.Г.. Ставрогкн Л.П., Черников А.К.).

8. Изучение неханизма остаточной деформации хрупких горных пород. Сб. разраб. и обогац, твердых полезных ископаемых. Н.. 1981, с. 93-93 (ИПКОН АН СССР).

9. Исследования механических, фильтрационных и петрографических свойств выбросоопасных и невыброооопасных песчаников Донбасса с учетом запредельной области. - Тез. докл. УН Всесоюзной конф. ntf механике горных пород. Днепропетровск, 1981. (Соавтора: Ставрогин А.Н., Юрель Г.Н.).

■ 10. Влияние скорости деформации на запредельные характеристики горных пород. ФТПРПИ, 1932, № 5, с. 7-15 (соавторы: Ставрогин А.Н., Певзнер Е.Д.).

11. Влияние скорости нагрукения и вида напряженного состояния на поведение горных пород в допредельной и запредельной областях. Сб. Физико-техн, и технологич. проб, разраб. и обо- . гаи. твещых полезных ископаемых. М., 1982» с. III-II7 (ИПКОН Ali СССР).

12. Методические указания по определению запредельных характеристик горных пород. I., ВНИМИ, 1982, 20 с. (Соавторы: Ставрог..н А.Н., Певзнер Е.Д.).

13. Универсальная лабораторная установка с высокой яеетко стью для исследований горных пород при сложных напряженных состояниях. Сб. Физика и механика разр.горн.пород, изд. "Илим" Фрунзе, 1983. с. (Соавторы: Ставрогин А.Н., Певзнер Е.Д Ииркес O.A.).

14. Методические указания по испытанию горных пород на жестких прессах. Л., ВНИМИ, 1903, с. И; (Ссагтори: Ставрогкн А.Н.). .

15. Зньргоемкость хрупкого разрувения удароопасных горны> пород. Сб. ВНИМИ.'Локальные меры борьбы с горными ударами. 1., im, с. 76-03.

16. Обмен анергией мегду нагрунавдей системой и разрушаемым материалом при динамическом неуправляемом процессе разрувк ния. Тез. докл. УП Всесоюзн. совей. Ереван, I9S5, Сб. физи.ч. свойств горных пород при высоких давлениях й температурах. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

' 3.7. Еаланс энергии при хрупком разрушении горних пород. ФТПРПИ, 1985, Л I, с. 16-27. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

18. Католические указания г.о определению баланса анергии хрупкого разрушения горних пород. ВИЮ, 1935. с. 18 (Соавтор: С2\г;.рг,п:н А.Н.).

19. Механические, фильтрационные и петрографические свой* ьгга выбросоопасных л иевыбросоопасиих песчаников Донбасса. i'TDFlSI, Ll 2, 1986, с. Ц--19. (Соавторы: Ставрогин А.К.. Вреяь

г.а.).

20. Баланс энергии хрупкого разруаенкя в условиях объем-:тгэ напряженного состояния. ФТПРПЙ, К I, I9Q9, с. 22-28;

21. Статистическая модель деформации неоднородных твердых тел (горных пород) в условиях высоких давлений и больаих пластических деформаций. ФТПРПИ, й I, 1990, с. I0-I7. (Соавторы: Ставрогин Л.Н., Ииркес O.A.).

22. Упроченный метод определения степени влияния скорости деформации на прочность и энергоемкость разрувения горных пород. ФТПРПИ, 1990, $ 4,

23. Еольсио пластические деформации горных пород при высоких давлениях. Тез. докл. ЛИ Всесовзн. совещания по физическим свойствам горных пород при еысоких давлениях и температурах. Уфа, 1990, с. 53-54.

24. О статистической природе прочности горных пород. ФТПИШ, 1991, # 5.

25. Разрушение и деформация горных пород, как процесс статистического отбора структурных элементов. Записки ЛП1, т. 125: Разруиенио горных пород. 1991.

26. О статистической природе деформационных процессов з горных породах. ФТПР1Ш, » 6, 1991, с. 36-43.

27. Влияние вида иагружения на процесс деформирования горных пород. ФТПРГШ, 1992, № I, с. 15-21. -

Изобретения, полоиениыэ в основу разработанной аппаратуры и иетодоэ исследований:

28. ПщроприЕод к прессу для испытания образцов на прочность. A.c. » 7056Ш, £.И. II, I98U. (Соавторы: Ставрогин А. Я., Певзнер Е.Д.).

29. Установка для испытания образцов при трехосном ска-таи. A.c. 8i55Ö3, Б.И. S 11, 1981. (соавторы: Ставрогин А.II., Певзнер К.Л.).

30. Способ испытания материалов на динамическое скатие.

A.c. Jt 736742. Б.И. )f 45. i960. (Соавторы: Ставрогин A.H., Певзнер Е.Д.).

31. Установка для испытания образцов на сжатие. A.c. № 991236. Б.И. * 3. 1981. (Соавторы: Ставрогин А.Н.)

32. Установка для испытания образцов на сжатие с контролем скорости деформации образца. A.c. * -991208, Б.И. # 9. 1982, (Соавторы: Ставрогин АЛ!.. Певзнер В.Д.).

33. Установка для динамических испытаний. A.c. Jf IOI6726, Ё.И. * 7 , 1983. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).'

34. Установка для изучения анергии в системе "нагружающее устройство-образец" при разрушении образца. A.c. № 1024796, Б.И. * 23, 1983. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

35. Установка для ударного сжатия. A.c. Jk 1067403. Б.И.

* 2, 1964. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

36. Быстродействующий клапан. Б.И. » 29, 1985.

37. Гидропривод к прессу для испытания, образцов на прочность. A.c.И II55902. Б.И. № 18, 1985. (Соавтор: Ставрогин А.Н)

38. Гидропривод к прессу для испытания образцов на прочность. A.c. Л 1180745, Б.И. * 35, 1985, (Соавторы: Ставрогин А.Н., Ширкес O.A.).

39. Устройство для динамических испытаний образцов материала. A.c. * И60750, Б.И. * 35, 1985. (Соавтор: Ставрокч! А.Н»).

40. Устройство для динамических испытаний. A.c. JS I174826. 'Б.И., № 31, 1985. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

41. Гидропривод к.прессу для испытания образцов на прочность. A.c. * 124Ц90, Б.И. * 24, 1986. (Соавтор: Ставрогин А.Н,).

42. Установка объемного сжатия . A.c. £ 1163196, Б.И.

* 23, 1985. (Соавтор: Ставрогин А.Н.).

43. Способ определения коэффициент динамического упрочнения материала. A.c. № 129354/, Б.И. * 18, 1990.

44. Гидропривод к прессу для испытания образца на прочность. A.c. * 165II44. Б.И. » 20, 1991. (Соавторы: Ставрогин А.Н., Лодус Е.Б., Ллопотов Р.Г.).