автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Закономерности образования отрывных трещин в горных породах вблизи выработок на больших глубинах

я

I

1 6 ГЛДР 1233 На правах рукописи

ОДИНЦЕВ Владимир Николаевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОТРЫВНЫХ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ВБЛИЗИ ВЫРАБОТОК НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.В.Баклашов

доктор технических наук, профессор С.Д.Викторов

доктор технических наук Е.М.Шафаренко

Ведущая организация - Московская государственная геологоразведочная академия им. С.Орджоникидзе

Защита состоится" " 1998 г.

в / ^ "^¿насов на заседании диссертационного совета Д 003.20.01 в Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Крюковский туп. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук

Г.И.Богданов

Введение

Актуальность работы. Добыча твердых полезных ископаемых в настоящее время и, в значительной степени, в перспективе связана с разработкой месторождений на больших глубинах. С увеличением глубины разработки особую актуальность приобретает проблема устойчивости выработок. Большие глубины характеризуются высоким горным давлением, при котором механическое напряжение массива вблизи выработки превосходит прочность породы. Как следствие, в массиве развивается природный физический (геомеханический) процесс разрушения породы, осложняющий эксплуатацию выработок.

В хрупких породах разрушение выражается в образовании новых, техногенных (иначе, наведенных) микро- и макротрещин. Наведенные трещины существенно изменяют природную трещинную структуру горного массива вблизи выработок и реакцию массива на природные и техногенные воздействия. В частности, появление наведенных трещин снижает противодействие массива взрывным нагрузкам, ведет к более интенсивному смещению пород в горные выработки вплоть до отрыва пластин породы от массива, как это имеет место при стрелянии пород и внезапных выбросах.

Несмотря на большое практическое значение проблемы устойчивости выработок и наличие натурных данных механизм трещинообразова-ния в породах под действием горного давления, в частности механизм образования отрывных трешин (отслоения пород), теоретически исследован слабо. Поэтому есть весомые основания ожидать, что фундаментальные исследования условий зарождения, распространения и проявления наведенных трещин могут способствовать появлению новых идей и разработке мероприятий по повышению устойчивости выработок, предотвращению опасных динамических проявлений горного давления, в создании новых способов добычи, учитывающих геомеханические особенности больших глубин.

Диссертационная работа в главной своей части посвящена фундаментальным вопросам развития техногенных отрывных трещин в горных породах, находящихся в условиях сильного сжатия. Кроме того, в ней предлагаются методы оценки устойчивости выработок для тех случаев, когда отслоение пород связано с проявлением естественной трещиноватости массива.

Работа выполнялась в рамках исследований ИПКОН РАН (АН СССР) по заданиям ГКНТ, РАН (АН СССР), МЦМ СССР: "Разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород и параметров систем разработки месторождений по фактору горного давления" (1974-78 гг.); "Научные основы создания систе-

мы прогноза и контроля напряженного состояния массива при разработке рудных месторождений на больших глубинах"(1979-81гг.); "Исследование физических процессов проявления горного давления при разработке месторождений твердых полезных ископаемых на больших глубинах" (1983-88гг.); "Исследование закономерностей проявления горного давления и сдвижения горных пород и массивов" (1994-96 гг.)

Кроме того, часть диссертационной работы выполнялась по проектам Российского фонда фундаментальных исследований: "Механика горных ударов и микросейсмический контроль разрушения массива горных пород около выработок" (№ 93-05-9395); "Механика гидрога-зоимпульсного воздействия на трещиновато-пористые породы при скважинной гидродобыче полезных ископаемых" (№ 94-05-17553); "Неустойчивость деформирования массива скальных пород вблизи обнажений пород в глубоких выработках и образование диссипативных структур нарушенности " ( № 96-05-65884).

Главная цель работы заключается в разработке теории развития отрывных трещин в сжатых горных породах и ее приложений для исследования геомеханического процесса разрушения массива вблизи подземных выработок под действием горного давления, а также при действии таких факторов (природных и искусственных), как газ и вода.

Главная идея работы заключается в разработке и применении в исследованиях математических моделей отрывных трещин, которые учитывают не только напряженное состояние и деформационные свойства породы, но и наиболее характерные природные микродефекты породы, провоцирующие трещинообразование и способные вмещать газ или воду.

Методы исследований включают анализ лабораторных данных по отрывному разрушению горных пород, натурные наблюдения за природной и наведенной трещиноватостью массива вблизи выработок, аналитические и численные методы расчета напряженно-деформированного состояния горных пород, методы механики трещин Гриффитса-Ирвина, методы инженерной классификации скальных массивов, промышленную проверку некоторых разработок на горнорудных предприятиях.

Основные положения. защищаемые в диссертации: 1. При достижении прочности породы в условиях, близких к одноосному сжатию, в хрупкой породе с плотной зернистой структурой развиваются отрывные трещины с взаимодействующими берегами (закрытые трещины). При постоянной нагрузке распространение этих трещин должно происходить в динамическом режиме.

В породах с крупнопористой структурой отрывные трещины в зависимости от соотношения главных компонент сжимающих напряжений могут быть открытыми и закрытыми. При отсутствии порового заполнителя трещины развиваются квазистатически.

2. В крупнопористой газоносной породе свободный газ, заполняющий поры, играет важную роль в развитии трещин отрыва в том случае, если его давление превышает наименьшее главное напряжение в породе. При этом условии в породе могут развиваться открытые трещины в динамическом режиме. Если давление свободного газа меньше наименьшего главного напряжент, а максимальное напряжение сжатия превышает прочность породы на одноосное сжатие, то в квазистатическом режиме возможно развитие закрытых трещин. В газоносной породе, содержащей свободный газ в микротрещинах с просветом менее 0,01 мм (например, в природном перетертом угле), свободный газ влияет только на начало роста трещин.

3. Газ, находящийся в природном угле в абсорбированном состоянии (в другой концепции - в растворенном состоянии), при динамическом изменении напряженного состояния угля может принимать непосредственное участие в развитии отрывных микро- и макротрещин. При условии высокой газоносности угля и его малой трещиностойкости этот газ способен дробить уголь до частиц "бешеной муки".

4. Наведенная трещиноватость массива вблизи свежего обнажения пород в выработке на большой глубине имеет два вида. Непосредственно у стенки выработки развиваются искривленные трещины, образуя зону дезинтеграции массива, где происходит отслоение пород. Вне этой зоны отрывные трещины ориентированы вдоль поверхности обнажения пород.

5. Если в нетронутом массиве главные напряжения равны и одиночная выработка находится вне зоны опорного давления, то происходит равномерное отслоение породы со стенок и кровли выработки. Если главные напряжения, действующие перпендикулярно направлению проходки выработки, не равны, то отслоение породы со стенок выработки развивается преимущественно в направлении действия наименьшего главного напряжения. Устойчивая форма выработки имеет элемент в виде двугранного угла, в вершине которого отслоение останавливается.

6. Отслоение пород со стенок выработок в массивах с явно выраженной хаотической природной трещиноватостью или в зонах расслан-цевания пород является относительно длительным процессом. В этом случае время стояния незакрепленных обнажений вмещающих пород

.может быть эффективным элементом управления вторичным разубожи-ванием руды в очистных камерах.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1) Разработаны основы теории отрывного разрушения массива горных пород на больших глубинах.

2) Выявлены закономерности проявления масштабного эффекта в развитии отрывных трещин в сжатых плотных породах.

3) Разработаны модели развития отрывных трещин в газоносных породах, содержащих в порах и микротрещинах свободный газ. Установлено, что и в пористой, и в микротрещиноватой газоносных породах возможно образование скрытых областей трещиноватости.

4) В рамках механики трещин Гриффитса-Ирвина разработана модель разрушения метанонасыщеного угля, как твердого раствора метана в твердом угольном веществе.

5) В уравнение равновесия трещины гидроразрыва включен параметр, отражающий влияние микродефектности породы. Это позволяет исследовать влияние на развитие этой отрывной трещины природного напряжения, действующего вдоль направления развития трещины.

6) Рассмотрен механизм зональной дезинтеграции (зонального трещинообразования) пород. Показано, что внутренняя зона дезинтеграции может образоваться в результате нарушения равновесного состояния массива, некоторая область которого испытывает запредельные деформации.

7) Разработана модель отрывного разрушения крупнопористой породы газопасыщенной водой при динамическом перераспределении горного давления. Произведена оценка длины трещин, проросших из шаровидных и цилиндрических пор при совместном действии горного давления, воды и газа, выделяющегося из воды при снижении ее давления.

8) Разработан метод оценки предельного пролета устойчивого обнажения пород, который объединяет подходы инженерной классификации массива горных пород и математического моделирования напряженного состояния.

9) Разработан метод прогноза вторичного разубоживания руды в очистных камерах при разработке крутопадающих рудных тел малой и средней мощности.

Достоверность научных положений и выводов определяется: - корректной постановкой теоретических задач;

- применением современных апробированных методов механики трещин, методов расчета напряженно-деформированного состояния материалов и методов инженерной классификации скальных массивов;

- сопоставимостью результатов исследований, проведенных различными методами;

- сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений;

- сопоставимостью полученных в диссертации результатов с результатами работ, выполненных позже другими исследователями;

- промышленной проверкой разработок в горной практике.

Личный вклад автора заключается: в формулировании и реализации основных идей работы; в выборе, постановке и решении задач о поведении макротрещин; в анализе результатов решенных задач и приложении их в горной практике; в выполнении комплекса аналитических и численных исследований, а также натурных наблюдений по устойчивости пород в одиночных выработках и очистных камерах. Практическое значение работы.

1. Установлены критерии развития отрывных трещин, позволяющие прогнозировать разрушение массива горных пород в связи с оценкой устойчивости незакрепленных выработок на больших глубинах.

2. Получено соотношение для оценки мощности слоя дезинтегрированных пород, которое можно использовать при решении вопросов крепления выработок на больших глубинах.

3. Разработаны рекомендации по повышению эффективности нового метода принудительного разрушения трещиновато-пористых пород. С помощью этого метода можно создавать в скважинах на требуемой глубине каверны, например в целях промысловой добычи метана из угольных пластов, и рабочие камеры при скважинной гидродобыче полезных ископаемых.

4. Разработан инженерный метод определения величины пролета устойчивого незакрепленного обнажения пород в очистных камерах.

5. Разработан метод прогнозирования вторичного разубоживания руды при увеличении длины очистных камер и развитии процесса отслоения боковых вмещающих пород.

Реализация работы. Полученные в работе результаты научных исследований использовались при выполнении ИПКОН РАН ряда хоздоговорных работ для горных предприятий Норильска, Рудного Алтая, КМА и Узбекистана.

На основе теоретических исследований по отслоению пород разработана методика определения глубины заложения замков штанг, обеспе-

чивающих крепление монорельса к висячему боку выработок при разработке крутопадающих жил монорельсовыми комплексами КОВ-25.

Рекомендации по параметрам устойчивых обнажений вмещающих пород в очистных камерах внедрены на Васильевском месторождении комбината "Алтайзолото" и Васильковском месторождении комбината "Каззолото".

Рекомендации по увеличению длины очистных камер внедрены на Иртышском руднике и руднике им. XXII Съезда КПСС (Рудный Алтай). Реализация рекомендаций позволила повысить экономическую эффективность добычи при сохранении уровня безопасности горных работ.

Результаты исследований разрушения водонасыщенных пористых пород использованы при разработке рекомендаций по повышению эффективности скважинной гидродобычи богатых руд КМА и организации геофизического мониторинга разрушения рудного массива. Рекомендации использованы институтами ВИМС (Москва) и "Рудгеофизика" (Санкт-Петербург).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы обсуждались на Всесоюзных конференциях по механике горных пород (VI, Фрунзе, 1978; VIII, Тбилиси, 1985; IX, Фрунзе, 1989) , X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986), Всесоюзных научных школах "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1985, 1987,1990), Всесоюзной научной школе "Физика очага разрушения горных пород" (Фрунзе, 1985), семинарах "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1985, 1989), Московских семинарах по механике горных пород акад. Е.И.Шемякина (Москва, 1988, 1993, 1995), Казахстанских республиканских научно-практических конференциях (Алма-Ата, 1989; Усть-Каменогорск, 1989; Асу-Булак, 1990), научных семинарах ИПКОН РАН (Москва, 1979, 1983, 1993, 1997) и Московского горного института (Москва, 1984), в Мюнхенском техническом университете (Мюнхен, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 263 страницах, содержит 44 рисунка, 9 таблиц, список использованной литературы из 201 наименования.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность проф. Л.В.Никитину и проф. С.В.Кузнецову за плодотворное обсуждение научных результатов и полезные советы, В.А.Трофимову и И.В.Милетенко за помощь в проведении некоторых численных расчетов и натурных наблюдений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние изученности вопроса, подход к исследованиям

Особенностью современных актуальных задач по устойчивости выработок и горных массивов является их направленность на исследование природного процесса разрушения массива. При этом разрушение понимается не только как разделение массива на части или обрушение породы, а в более широком смысле, как необратимый качественный переход некоторой области массива в новое механическое состояние, сопровождающееся изменением ее структуры (развитием трещин или других повреждений), в результате чего качественно изменяется способность этой области противостоять природной или техногенной нагрузке.

За последние тридцать лет в фундаментальных исследованиях разрушения массива горных пород достигнут большой прогресс. Этому способствовали интенсивные экспериментальные исследования разрушения пород (шахтные и лабораторные), разработка новых концепций разрушения горных пород, (например, теории поврежденности, теории фракталов), использование в геомеханике фундаментальных разработок механики твердого тела (теории трещин, теории устойчивости), развитие численных методов исследования (конечных элементов, граничных элементов, структурных элементов).

Большой вклад в изучение фундаментальных вопросов разрушения горных пород и массивов внесли В.В.Адушкин, Ш.М.Айталиев, И.Т.Айтматов, А.Д.Алексеев, И.В.Баклашов, Л.И.Барон, А.А.Барях, В.И.Борщ-Компониец, Н.С.Булычев, С.Д.Викторов, Н.П.Влох, Р.В.Гольдштейн, Г.И.Грицко, Ж.С.Ержанов, А.Н.Зорин, М.А.Иофис, Ю.М.Карташов, Б.А.Картозия, Г.А.Катков, А.А.Козырев,

A.М.Коврижных, В.И.Кондауров, С.В.Кузнецов, Г.И.Кулаков,

B.С.Куксенко, М.В.Курленя, А.М.Линьков, В.А.Мансуров, Г.А.Марков, Ш.А.Мухамедиев, Л.В.Никитин, В.С.Никифоровский,

B.Н.Николаевский, В.Н.Опарин, И.М.Петухов, Н.М.Проскуряков, А.Г.Протосеня, А.Ф.Ревуженко, В.Н.Родионов, С.Н.Савченко, И.А.Сизов, Г.А.Соболев, А.Н.Ставрогин, С.Б.Стажевский,

C.А.Христианович, Т.Л.Челидзе, О.И.Чернов, И.Л.Черняк, С.Е.Чирков, Е.И.Шемякин, 0.11.А(1ат5, 2.В1еша\У8Ы, \¥.Р.Вгасе, КОЖСоок,

S.L.Crouch, R.E.Goodman, C.Fairhurst, R.L.Kranz, S.Nemat-Nasser, J.Rice, J.Vardoulakis, J.B.Walsh, W.R.Wawersik и многие другие.

Значительное место в изучении разрушения массива горных пород занимают исследования наведенной (техногенной) трещиноватости массива. Наведенные трещины в массиве условно можно разделить на трещины сдвига и отрыва. Природа образования сдвиговых трещин достаточно ясна: рост трещин вызывают касательные напряжения. Природа образования отрывных трещин долгое время оставалась непонятной.

Сначала было установлено, что даже в сильно сжатом массиве горных пород вблизи выработок определенной конфигурации могут образовываться локальные области растягивающих напряжений, и в этих областях может происходить расслоение массива. Однако, из шахтных наблюдений следует, что на больших глубинах отрывные трещины могут образовываться вблизи выработок и скважин даже при отсутствии растягивающего напряжения.

Развитие отрывных трещин при сжатии - парадоксальное явление. У некоторых специалистов оно до сих пор вызывает недоумение, поскольку неясно, что же является движущей силой развития трещин. Исследование этого явления составляет главную часть диссертационной работы.

В настоящее время в исследованиях отрывного разрушения горных пород при сжатии используются три подхода. Первый подход связан с определением областей деформаций растяжения в массиве вблизи выработок и оценкой геометрических параметров области разрушения по критерию максимально допустимой деформации растяжения. В этом направлении работали J.Stacey, Ж.С.Ержанов, Ю.А.Векслер, Н.А.Жданкин, C.Fairhurst и другие.

В основе второго подхода лежат представления о микронеоднород-ностях и микродефектах в породе, способных при сжатии порождать вблизи себя локальные области растягивающих напряжений, в которых в свою очередь зарождаются микротрещины отрыва. Исследования в рамках этого подхода получили название "микромеханика разрушения". Общим элементом задач микромеханики разрушения является анализ поведения модельной микротрещины или ансамбля микротрещин. Результаты этого анализа составляют основу заключения о поведении некоторого представительного объема породы. В этом направлении работали А. В. Ды скин, Л.Н.Германович, Ю.Ф.Коваленко, Н.М.Осипенко, РЛ.Салганик, M.Ashby, B.K.Atkinson, L.S.Costin, T.N.Dey, H.Horii, J.M.Kemeny, S.Nemat-Nasser, M.Obata, C.G.Sammis, C.Y.Wang и многие другие.

Третий подход к исследованиям отрывного разрушения связан с оценкой развития макротрещин, длина которых более чем на порядок превышает характерный размер микроструктурных неоднородностей породы. Макротрещины могут объединять десятки и тысячи микротрещин. Отдельные микродефекты в макротрещине не рассматриваются, особенности действия дефектов отражаются в усредненных граничных условиях для математического разреза, моделирующего трещину.

Исследования развития макротрещин в сжатых материалах проводили Р.В.Гольдштейн, Н.А.Лавров, В.П.Науменко, Л.В.Никитин,

H.М.Осипенко, Г.С.Писаренко, Л.И.Слепян, J.Gramberg, A.Dyskin, L.Germanovich. Этот подход развивается в диссертации, так как он практичен и позволяет наиболее полно учесть горно-геологическую информацию о наведенных трещинах (как в отношении постановки задач, так и проверки результатов).

Модели отрывных макротрешин

При сжатии материала микродефекты могут создавать вблизи себя микрообласти локального растяжения, если наибольшая и наименьшая главные компоненты внешних сжимающих напряжений удовлетворяют соотношению сг 1 » а3 (напряжения сжатия в работе положительны). В этих микрообластях могут зарождаться микротрещины отрыва. В математических моделях микротрещин распирающее действие микродефектов в материале часто моделируется фиктивной нагрузкой, распирающей материал и зависящей от компонент внешнего сжатия.

При объединении микротрещин в макротрещину распирающее действие одних микродефектов исчезает сразу, например у дефектов типа пор. У других микродефектов, например у микродефектов типа "микротрещина сдвига", оно сохраняется до определенного момента. Поэтому в работе рассматриваются две принципиальные модели отрывных макротрещин, отражающие различное представление микродефектов. Модели названы "поровая" и "микротрещинная".

Поровая модель. Схема, иллюстрирующая представление открытой и частично закрытой макротрещины в поровой модели показана на рис.

I. В условиях плоской деформации рассматривается напряженно-деформированное состояние упругого материала вблизи разреза, проходящего через равноудаленные круглые поры. Активны только крайние поры. Действие этих пор на материал представляется фиктивными сосредоточенными силами Р. Поры как геометрические объекты при этом не рассматриваются. Значение нагрузки Р определяется в конце исследования из сопоставления вычисленной и реальной прочности породы.

Основными соотношениями, определяющими поведение трещины, являются: (а) равенство коэффициента интенсивности напряжений К\ у

кончика трещины, которое находится из решения соответствующей задачи теории упругости, своему предельному значению К1с ; (б) зависимость К{ от длины трещины; (в) условие однозначности смещений. Анализ этих соотношений позволяет установить закономерности развития макротрещины в пористой среде, некоторые из которых здесь приведены.

Рис. 1. Поровая модель. Схема к задаче о макротрещине:

а) открытая трещина;

б) трещина с частично сомкнутыми берегами

Если отношение минимальной главной компоненты напряжений к максимальной составляет несколько процентов, то макротрещина, оставаясь полностью открытой, вырастает до некоторой величины и останавливается.

Если отношение минимальной главной компоненты напряжений к максимальной составляет около одного процента, то макротрещина может закрыться в средней части раньше остановки роста. Дальнейшее развитие этой трещины может происходить за счет автономного роста концов трещины: в кончике трещины имеет место разрыв материала с расхождением берегов разрывами на некотором удалении от конца одновременно трещина закрывается. При этом раскрытый участок с ростом трещины приблизительно сохраняет свой размер.

Рост макротрещины с частично сомкнутыми берегами происходит со слабой устойчивостью. Достаточно протяженная макротрещина на-

ходится в состоянии безразличного равновесия. Это означает, что ее рост может происходить под воздействием незначительных и случайных факторов.

Рассмотренная в диссертации поровая модель в определенном смысле объединяет представления о разрушении некоторых материалов при сжатии Р.В.Гольдштейна, Н.М.Осипенко, Г.С.Писаренко, В.П.Науменко, ШгатЬе^. Некоторые выводы, полученные с помощью этой модели, соответствуют теоретическим и экспериментальным результатам упомянутых авторов. Вместе с тем эта модель, благодаря относительной простоте, может быть использована в прикладных исследованиях. В частности, она используется для анализа разрушения газоносных пород.

Микротрещинная модель. В микротрещинной модели дефектами, порождающими отрывную макротрещину, являются микросдвиговые нарушения (микротрещины сдвига), которые либо изначально присутствуют в материале, либо зарождаются между прочными зернами на начальной стадии разрушения.

Разработанная в диссертации микротрещинная модель является логическим развитием модельных представлений Н.М.Осипенко, А.В.Дыскина, Р.Л.Салганика, 8.№та1-Маззег, Н.Ногп, которые представляли распирающее действие микротрещин сдвига в материале сосредоточенными силами. Отличие разработанной модели состоит в следующем. (1) Считается, что макротрещина объединяет достаточно большое число микротрещин сдвига (рис. 2 а), поэтому распирающая нагрузка в макротрещине полагается равномерно распределенной нагрузкой (рис. 2 б). (2) Распирающий эффект микротрещин сдвига сохраняется в макротрещине до тех пор, пока макротрещина не станет настолько длинной, что берега входящих в нее микротрещин сдвига не выйдут из зацепления (центральная часть рис. 3 а). (3) Вышедшие из зацепления берега при последующем деформировании материала сохраняют критическое расхождение, при этом имеет место точечный контакт берегов макротрещины.

Минимальная длина макротрещины, у которой только в самом центре достигается предельное смещение берегов и исчезает распирающее действие дефектов, называется критической длиной макротрещины. Ее величина 2 I* определяется в ходе решения соответствующей задачи теории упругости для разреза, моделирующего трещину (рис.2 б)

Здесь /)• - структурный параметр, зависит от диаметра й зерен материала /г. ~2й, Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона, сг°, £7°

- главные компоненты исходных напряжений в материале, у \ , у г - постоянные модели, определяемые из сопоставления вычисленной и реальной прочности породы. Критическая длина 2 /» является важной характеристикой отрывных макротрещин в зернистых породах.

Соотношениями, определяющими поведение макротрещины в этой модели являются: (а) равенство коэффициента интенсивности напряжений у кончика трещины, который находится из решения соответствующей задачи теории упругости, своему предельному значению К,с ; (б) зависимость Кх от длины трещины; (в) равенство смещения берегов в центральной части макротрещины предельному значению Л. (если длина макротрещины превышает критическую).

оП

1

X

Рис. 2.

I

Рис. 3.

Рис. 2. Микротрещинная модель. Короткая макротрещина:

а) распирающие усилия в макротрещине; б) представление макротрещины в задаче о равновесном состоянии Рис. 3. Длинная макротрещина:

а) распирающие усилия в макротрещине; б) представление макротрещины в задаче о равновесном состоянии

Анализ определяющих соотношений микротрещинной модели позволяет сделать два главных вывода в отношении поведения макротрещин в плотных зернистых породах.

Короткая макротрещина, длина которой 21 меньше 2/», неустойчива. Поэтому объединение микротрещин в отрывную макротрещину означает начало динамического процесса разрушения породы.

Когда берега мнкротрещин сдвига в центре макротрещины начинают выходить из зацепления, и пропадает их распирающее действие, изменяются условия развития макротрещины. Они становятся менее благоприятными для ее роста. Длина достаточно протяженной прямолинейной макротрещины, для которой справедливо 21 »21*, фактически не оказывает влияния на ее рост.

Криволинейные трещины

Микротрещинная модель отрывной макротрещины использована для исследования развития трещин в тех условиях, когда условия симметрии не соблюдаются, и трещины распространяются по криволинейным траекториям. Траектории развития макротрещин определялись численно по совокупности шагов, на каждом из которых рассчитывалось напряженно-деформированное состояние материала и соответствующее направление развития трещины. Использована концепция обобщенного нормального разрыва, согласно которой направление приращения длины трещины определяется направлением, вдоль которого локальное напряжение растяжения максимально.

С помощью разработанного алгоритма построены траектории развития макротрещин при наличии в породе различных областей неоднородности: (а) области анизотропии, в которой жестко предписывается некоторое направление развития трещины; (б) области, в которой микродефекты, порождающие макротрещину, ориентированы таким образом, что на берегах макротрещины на начальном этапе ее развития действует сдвиговая нагрузка.

Кроме того, с целью установления закономерностей развития отрывных трещин вблизи обнажений пород в горных выработках проведены расчеты траектории отрывных макротрещин вблизи свободной, а также нормально нагруженной поверхности. Траектории развития трещин построены при различных соотношениях начальной длины трещины и расстояния трещины от поверхности.

Результаты расчетов показали: если длина начальной макротрещины, ориентированной вдоль свободной поверхности, много меньше расстояния до поверхности Д то макротрещина отрыва развивается, не искривляясь, пока ее длина и расстояние до поверхности находятся в соотношении 21 / О < 0,4 . Если это соотношение с ростом трещины

перестанет выполняться, то траектория трещины может измениться в зависимости от того, является ли она к этому моменту короткой или длинной.

Если к этому моменту макротрещина является короткой или слегка превышает критическую длину макротрещины 21*, то при дальнейшем росте трещины ее траектория будет постепенно искривляться, и в конечном счете она выйдет на поверхность. Если же макротрещина к моменту выполнения соотношения 21 / О «0,4 определяется как длинная^и при этом длина концевого участка, где проявляется распирающее действие дефектов, меньше примерно в пять раз расстояния трещины до поверхности, то такая макротрещина продолжает и далее расти параллельно поверхности, оставаясь прямолинейной. Она сохраняет прямолинейность несмотря на то, что ее длина в конечном счете может намного превысить расстояние трещины до поверхности.

Масштабный эффект в развитии отрывной макротрещины

Проведенные исследования развития трещин с помощью микротрещинной модели позволили сделать вывод о наличии масштабного эффекта в отрывном разрушении сжатой плотной зернистой породы. Отрывное разрушение в масштабе образца и в масштабе выработки может различаться, причем масштабный эффект возможен по крайней мере в трех проявлениях.

(1) С увеличением длины макротрещины изменяется условие ее предельного равновесия. Предельно равновесное состояние короткой трещины, длина которой меньше 21* , неустойчиво. Короткая трещина должна развиваться динамически. Предельное равновесие достаточно длинной трещины, длина которой много больше 21* , отвечает состоянию безразличного равновесия. Следовательно, режим развития достаточно длинной трещины может быть квазистатическим. Во многих горных породах это должно иметь место тогда, когда длина трещины превысит несколько десятков сантиметров.

(2) С ростом длины макротрещины тенденция ее влияния принципиально меняется. Для короткой макротрещины область влияния растет пропорционально длине, для длинной - уменьшается обратно пропорционально длине. Вблизи достаточно длинной макротрещины напряженное состояние мало отличается от начального состояния до образования макротрещины. Как следствие, прямолинейные макротрещины в зависимости от их масштаба могут образовывать две структуры отрывного макроразрушения: в виде эшелона коротких трещин (как установлено Р.В.Гольдштейном, Н.М.Осипенко, Т.Н.Беу, C.Y.Wang) и в виде параллельных протяженных трещин.

(3) Масштабный фактор влияет на траектории развития макротрещин отрыва вблизи обнажения пород. Отрывная трещина, зарождающаяся у поверхности обнажения и первоначально ориентированная вдоль поверхности, испытывает влияние этой поверхности и постепенно искривляется. В итоге она одним или двумя концами выходит на поверхность. Если трещина превышает некоторую критическую длину, не испытывая при этом влияния поверхности, то в последующем своем развитии она должна развиваться вдоль поверхности, не выходя на нее, даже если ее длина в конечном счете будет намного превышать расстояние до поверхности.

Отрывные макротрешины в газоносных породах

Поровая модель с учетом свободного газа. Поровая модель может быть применена для анализа отрывного разрушения газоносного материала, в котором в крупных изолированных порах находится сжатый газ. В модели учитывается начальное давление газа в порах и изменение давления газа при раскрытии берегов макротрещины.

Разработанная модель является логическим обобщением модели Ю.Ф.Коваленко, рассмотревшего трещину, растущую из газонаполненной поры при изменении напряженного состояния геоматериала. Здесь рассматривается макротрещина, объединяющая много пор.

Давление газа в макротрещине изменяется по закону политропы для идеального газа. Рассматриваются следующие случаи.

(а) Начальное давление газа в порах рй превышает боковое поджа-

тое сг

о

.0

■ з , а продольная нагрузка СГ1 меньше значения прочности на

одноосное сжатие сг5. Расчеты показывают, что в этом случае открытая макротрещина должна развиваться динамически пока ее полудлина меньше величины /, определяемой выражением

~\2

/ Л 1/п V сг°у

1

(1 -у')2г0Ч.(<т5-<г°У

-1

Давление газа в остановившейся трещине р=с7з

2(1 -г^ЗД^-ст?)2 (л, / <т30)1/" - 1 " /(Е4)

где Е , V - модуль Юнга и коэффициент Пуассона соответственно, с!й -диаметр пор, Л = 2 (А',с/а\;)2/;т, п - показатель политропы, 250 - расстояние между порами. Остановившаяся трещина должна быть устойчивой.

(б) Максимальная нагрузка <7® превышает значение сг$ . Равновесная открытая макротрещина существовать не может. Трещина

должна развиваться динамически. Давление газа в ней стремится к величине бокового поджатая, (в) Начальное давление газа в порах меньше боковой нагрузки р0 <

сг° , и при этом выполняется соотношение сг° » - р0 . В этом случае микротрещины от пор могут прорастать и, соединяясь, образовывать макротрещину только за счет действия фактора микронеоднородности породы (влияния пор). Макротрещина может иметь смыкание берегов в центральной части, что благоприятствует ее росту. Развитие макротрещины в этом случае происходит со слабой устойчивостью, степень устойчивости роста близка к безразличному равновесию. Этот результат соответствует случаю развития трещин в крупнопористом материале, не содержащем газ.

Микротрещинная модель с учетом свободного газа. Микротрещинную модель можно использовать для исследования закономерностей развития отрывных трещин в газоносных породах, которые относятся к трещиноватым породам со сложной микротрещинной структурой (например, для углей). В этой модели вводится параметр т]- эффективный начальный просвет природных микротрещин.

Решение задачи о напряженном состоянии материала вблизи трещины дает следующее выражение для коэффициента интенсивности напряжений

К, = (*/)1,2(у10-? ~У3сг°) +

+ (*/2-Л Ро { Е 7[(1 - V 2 ) • (Г 1 ^ ? - г з }

где ух , уг - параметры модели, определяемые при сопоставлении решения задачи и прочности дегазированного материала.

Если показатель политропы п> 1/2 , что имеет место для реальных газов, то коэффициент интенсивности напряжений К\ с ростом длины трещины сначала уменьшается, а затем по достижении трещиной некоторой критической длины начинает возрастать.

Таким образом, очень короткая макротрещина должна устойчиво подрастать по мере увеличения наибольшей сжимающей нагрузки сг° или уменьшения что объясняется сильным влиянием изменения давления газа в короткой трещине. Если длина макротрещины увеличится и достигнет некоторого критического значения, рост трещины становится неустойчивым.

Давление свободного газа в протяженной макротрещине описывается соотношением р I р0 = \Ат] I (ж , где Л. - критическое

расхождение берегов макротрещины (структурный параметр модели).

Оценка показывает, что при реальных для углей параметрах давление газа в закрытой макротрещине при достижении в ней предельного расхождения берегов может упасть по сравнению с начальным давлением в десятки раз. По этой причине в анализе роста протяженных макротрещин давлением свободного газа в трещине можно пренебречь. Поэтому многие выводы в отношении развития протяженных макротрещин в негазоносной породе справедливы и для газоносных пород. Модель разрушения угля при учете абсорбированного метана

В диссертации впервые рассматривается модель трещины в материале, содержащем газ в абсорбированном (растворенном) состоянии. В модели считается, что свободный газ, появляющийся в трещине при ее распространении, "мгновенно" выходит из предельно тонкого приповерхностного слоя трещины (толщиной порядка 1000 А0). Количество выходящего в трещину газа линейно зависит от падения в ней давления газа. Изменение давления свободного газа в трещине определяется уравнением состояния идеального газа.

Расчетами установлено, что условие образования отрывной трещины в угле под действием растворенного метана определяется соотношением

аб 017 2(1 - у 2 )// К ЗЕЯТ

которое фактически является условием участия растворенного метана в динамическом разрушении угля. Здесь использованы обозначения: а -постоянная модели (зависит от температуры и микроструктуры), <4 -содержание растворенного метана в природном угле, /г -эффективная "толщина" поверхности трещины, Ки - трещиностойкость материала, /г - молекулярный вес газа, Я - универсальная газовая постоянная, Г -абсолютная температура.

Коэффициент интенсивности нормальных напряжений растет с длиной трещины. Следовательно, если трещина при изменении напряженного состояния угля начнет расти за счет выхода в нее растворенного метана, то ее развитие должно происходить в динамическом режиме. Это указывает, в частности, на то, что трещинообразование, начавшееся на одном масштабном уровне, может беспрепятственно перейти на более крупный масштабный уровень.

Рис. 4. Зависимость минимального диаметра образующихся при разрушении частиц угля от трещиностойкости

5,0

4,0

3,0

2,0

1.0

О-Ю"4."

КНО'^МПаМ1'2

О 2 4 6 8 10 12

По значениям предельно равновесных длин трещин можно сделать заключение о размере устойчивых частиц, до которых могут разрушаться при выбросах кусочки угля, оторвавшиеся от пласта. Расчетами показано, что при малых значениях трещиностойкости, характерной для углей IV и V степени нарушенно-сти (раздробленный и перетертый уголь, раздавливаемый руками), диаметр частиц по порядку величины равен 5- КГ5 м (рис. 4). Таким образом, впервые аналитически показано, что абсорбированный (растворенный) метан может дробить уголь при выбросах до состояния "бешеной муки". Структура наведенной трещиноватости массива у стенки выработки

Разработанная в диссертации теория развития трещин используется для определения структуры наведенной трещиноватости и мощности слоя разрушенных пород вблизи выработок на больших глубинах. Возможная картина трещиноватости, построенная с учетом результатов моделирования развития трещин вблизи плоской стенки выработки, показана на рис. 5.

Непосредственно вблизи свежего обнажения пород в выработке, пройденной в массиве хрупких слаботрещиноватых пород, должна сформироваться зона, в которой наведенные трещины искривлены и соединяются между собой (на рисунке отмечены цифрой 2). Если эти трещины выходят на поверхность обнажения 1, то образуют заколы. Массив, в этой зоне не должен обладать связанностью. Куски породы вогнуто-выпуклой формы слабо сцеплены между собой.

В глубине массива должна находиться другая зона наведенной тре-щиноватости, в которой трещины ориентированы примерно параллельно друг другу и не соединяются между собой (на рисунке такие трещины отмечены цифрой 3). Трещины в этой зоне могут быть достаточно протяженными, по нашей оценке более метра, но они не должны разбивать массив горных породна отдельные фрагменты.

Рис. 5. Наведенные трещины вблизи стенки выработки:

1) поверхность обнажения пород;

2) криволинейные соединяющиеся трещины;

3) трещины, растущие вдоль обнажения

Мощность зоны несвязанного массива О ( иначе, зоны дезинтеграции) можно оценить с помощью соотношения И ~ (3 + 5) I* . Например, в долерите мощность зоны несвязанного массива у поверхности обнажения должна составлять от 30 до 75 см, в базальте от 9 до 20 см.

Исходя из зависимости коэффициента интенсивности растягивающих напряжений и длины криволинейной отрывной трещины , можно заключить, что образование закола на свежем обнажении должно быть

динамическим процессом. Рост отрывных трещин, растущих параллельно обнажению, также может происходить динамически, но интенсивность этого процесса должна быть выражена значительно слабее.

Важно подчеркнуть, что результаты исследований по структуре трещиноватости хорошо согласуются с данными проведенных натурных наблюдений трещиноватости, а также с данными о динамических проявлениях стреляния и шелушения пород в выработках. Это дает основание говорить о достоверности соответствующих теоретических разработок.

Формоизменение сечения горной выработки

Другим исследованием, которое имеет самостоятельное значение и вместе с тем может служить определенной проверкой выполненных теоретических разработок, является расчет формоизменения сечения горной выработки. Если главные компоненты напряжений в нетронутом массиве не равны друг другу, то вследствие самопроизвольного отслоения пород на стенках или в кровле выработка может изменить свою проектную форму.

В работе проведено моделирование изменения сечения одиночной выработки кругового поперечного сечения, что позволило определить устойчивую форму выработки, которая образуется после прекращения отслоения пород. Процесс разрушения стенок выработки в расчетах представляется следующим образом.

Если на стенке выработки выполняется критерий отрывного разрушения, то в этом месте происходит разрушение породы,и она отделяется от стенки выработки. В результате изменяется форма выработки и происходит перераспределение напряжений. В некоторой области массива снова выполняется критерий разрушения. Это вызывает новое отслоение породы. Процесс повторяется снова, он продолжается до образования устойчивой формы выработки.

Расчеты формоизменения сечения выработки с помощью МКЭ показали, что при неравных главных напряжениях в нетронутом массиве устойчивая форма выработки связана с образованием двугранного угла, вершина которого ориентирована в направлении действия меньшего из главных напряжений. Величина отслоившейся части породы тем больше, чем больше разница в величинах главных напряжений. На рисунках 6 а,б для примера показаны формы сечения выработки по этапам расчета при соотношении главных напряжений в нетронутом массиве а°/а°3= 2; 3.

Рис. 6. Изменение формы выработки при отслоении пород в кровле (а, б, в, г, е - этапы вычислений)

Расчетным путем также установлено, что зона запредельного деформирования массива в кровле выработки, значительно увеличивая объем вычислений, не сильно меняет картину формоизменения сечения ^ выработки кругового поперечного сечения. Наличие области запредельного деформирования лишь "тормозит" развитие отслоений породы. Контур устойчивой выработки и в этом случае содержит угол, в вершине которого отслоение останавливается. Результаты расчетов хорошо согласуются с данными натурных наблюдений. Трещина гидроразрыва

Разработанная теория развития отрывных трещин в сжатой породе использована в анализе равновесия трещины гидроразрыва, осуществляемого в целях экспериментального определения природных напряжений массива. Цель исследования - показать, что учет микроструктурного члена в уравнении равновесия этой отрывной трещины может привести к качественно новым результатам в оценке ее состояния.

Рассматривается одна из самых простых моделей гидроразрыва пород - модель образования трещины в крупнопористой среде при закачивании в нее нефильтрующейся жидкости. Расчеты проведены для вертикальной трещины гидроразрыва вблизи вертикальной скважины в зависимости от величины главных компонент природных напряжений и давления жидкости в скважине.

Из проведенных расчетов следует, что наибольшая главная компонента природных напряжений может играть важную роль в развитии трещины гидроразрыва. Аналитически показано, что в условиях сильно неравномерного сжатия массива протяженная трещина может развиваться даже в том случае, когда давление закачиваемой в массив жидкости меньше бокового напряжения в массиве.

Этот вывод позволяет объяснить наблюдаемые иногда на практике случаи гидроразрыва хрупких пород при давлении жидкости меньше напряжений сжатия массива.

Механизм зональной дезинтеграции массива горных пород

Разработки в области развития криволинейных трещин использованы при рассмотрении возможного механизма образования зоны наведенной трещиноватости в глубине массива. Зоны интенсивной наведенной трещиноватости в глубине массива обнаружены экспериментально и описаны в литературе как зональная дезинтеграция массива горных пород (В.Н.Опарин, М.В.Курленя, Е.И.Шемякин и другие).

В диссертационной работе образование такой структуры связывается с динамическим явлением, происходящим при нарушении равновесного состояния массива в процессе его запредельного деформирования. В этой связи решается модельная задача о деформировании тонкого горизонтального пласта, краевая часть которого вблизи выработки испытывает запредельные деформации. Из решения задачи получена зависимость длины краевой части пласта р от давления налегающих пород С (в безразмерных величинах).

В зависимости от соотношений параметров задачи функция р = р (£) может быть монотонной однозначной функцией, а может быть многозначной функцией, график которой (кривая ABC на рис. 7) имеет точку перегиба (складку). Последний случай возможен, если выполняется соотношение N, М1/2 « as Еш , где N» - критическое значение давления пород на пласт, Е - модуль Юнга горной породы в пласте, М -условный модуль запредельного деформирования, соответствующий наклонному участку линеаризованной диаграммы "нагрузка-деформация" для краевой части, <rs - прочность на одноосное сжатие.

В точке перегиба кривой (точка В) имеет место бифуркация положений равновесия. Ветвь ВС на практике реализоваться не может. Следовательно, при определенных условиях квазистатический режим деформирования системы "вмещающие породы - пласт" с ростом нагрузки может смениться динамическим.

Рис. 7. Зависимость параметра длины "запредельной" краевой части пласта от обобщенной нагрузки С,

0,2

0,4

е

О 0,2 0,4 ^ £

С >

XА

р* \

'А

Этот случай в работе рассматривается. Постдинам1Гческое состояние прогнозируется исходя из условия устойчивости двух частей пласта: (1) изменившейся краевой части, которая теперь описывается горизонтальным (устойчивым ) участком запредельной диаграммы, и (2) области упругого деформирования пласта. Такое состояние пласта возможно, если граница между этими областями является линией разрыва напряжений и смещений - нормальное напряжение, действующее вдоль этой линии, имеет скачок.

Нормальное смещение на линии также может иметь скачок. На практике эта линия разрыва должна представляться магистральной трещиной отрыва, шероховатые берега которой имеют точечное взаимодействие (как показано в центральной части рис. 3 а).

Образование магистральной трещины отрыва ("ложного забоя") предопределяет появление вблизи себя зоны интенсивного трещинооб-разования. Растущие вблизи "ложного забоя" трещины отрыва должны искривляться и соединяться, как и вблизи реального забоя (см. рис. 5). В результате у ложного забоя образуется зона несвязанного массива (внутренняя зона дезинтеграции).

Таким образом, если при деформировании пласта нарушаются условия его равновесия, то в нем образуются "ложные забои", которые порождают вблизи себя зоны искривленных трещин (зоны дезинтеграции). Метод гпдрогазоимпульсного разрушения пористой породы

В качестве возможного примера приложения теории отрывного разрушения сжатых пород рассматривается метод управляемого разрушения пористых ископаемых. Этот метод был предложен в ИГТМ АН УССР для подземной добычи газоносного угля. Позже он был теорети-

чески обоснован для скважинной гидродобычи негазоносных пород в ИПКОН и ИПМ АН СССР.

Сущность гидрогазоимпульсного разрушения негазоносных пористых пород заключается в следующем. С поверхности через скважину в добычную камеру под давлением в течение определенного времени нагнетается рабочий агент - вода, содержащая растворенный газ (воздух или углекислоту). Вследствие фильтрации агент проникает в поровое пространство породы.

Газ находится в растворенном состоянии. При резком сбросе давления воды в скважине в массиве происходит динамическое перераспределение напряжений вблизи камеры. Вследствие неравномерного сжатия породы и сохраняющегося высокого давления воды в порах из пор начинают прорастать микротрещины отрыва. Рост микротрещин ведет к падению в них давления порового заполнителя и выделению свободного газа.

Выделяющийся свободный газ поддерживает рост микротрещин, а это в свою очередь приводит к дальнейшему падению газожидкостной смеси и более интенсивному выходу из воды растворенного газа. Соединение микротрещин отрыва определяет образование отрывной макротрещины, следовательно, отслоение тонкого кусочка от массива. Отслоившаяся, разрушенная масса перемещается выделившимся свободным газом к добычной скважине. После подъема отслоившейся массы нагнетание воды с растворенным газом повторяется снова, и снова производится сброс давления.

Теоретическая разработка метода требует совместного решения нескольких задач: фильтрации в массив воды с растворенным газом и обратного движения воды с растворенным или свободным газом при сбросе давления в скважине, а также разрушения породы вблизи добычной камеры. В диссертации рассмотрены задачи разрушения.

Исследуется разрушение упругой среды с равноудаленными друг от друга порами, заполненными газонасыщенной водой. Рассматриваются шаровидные и цилиндрические поры. Для определения радиуса области отслоения породы решается система уравнений. Одно уравнение является соотношением для предельно равновесной микротрещины, растущей из поры. Второе уравнение отражает изменение давления порового заполнителя при росте микротрещины и увеличении ее объема. Третье уравнение отражает условие макроразрушения - условие касания микротрещин растущих от соседних пор. При решении системы уравнений используется зависимость давления воды в среде на момент сброса давления. Эта зависимость находится из решения соответствующей задачи фильтрации. Система уравнений позволяет исследовать макроразруше-

ние массива, когда в качестве рабочего агента используются обычная вода, а также сжатый газ.

Построен алгоритм решения этой системы для нахождения радиуса камеры после окончания динамического процесса отслоения породы. Рассмотрен модельный пример расчета гидрогазомпульсного воздействия на массив горных пород в технологическим цикле "нагнетание воды в массив - сброс давления в скважине". Рассмотрены также случай закачивания обычной воды и случай нагнетания в массив сжатого газа.

Анализ исследованных случаев позволяет заключить, что на эффективность гидрогазоимпульсного метода разрушения в подземной добычной камере оказывают влияние тип рабочего агента, давление насыщения газа в воде, величина сброса давления в добычной камере, скорость сброса давления, диаметр добычной камеры, время закачивания рабочего агента в массив. К наиболее важным выводам можно отнести следующие.

В качестве рабочего агента наилучшим образом подходит вода с растворенной углекислотой. Эффективность воды с растворенным воздухом в несколько раз ниже. Однако и этот тип рабочего агента вполне может быть использован на практике, если добиваться того, чтобы давление насыщения газа в воде было приблизительно равно давлению закачивания рабочего агента.

Применение в качестве рабочего агента обычной воды целесообразно лишь в том случае, когда природная или наведенная пористость полезного ископаемого в отношении крупных пор не ниже 15 %. Очень высокую эффективность и по фактору фильтрации, и по фактору разрушения имеет сжатый газ.

Метод оценкн пролета устойчивого незакрепленного обнажения трещиноватых пород

На больших глубинах отрывное разрушение массива (отслоение пород) может происходить также под действием растягивающих напряжений. Этот случай имеет место вблизи плоских обнажений пород в протяженных очистных выработках. Отрывное разрушение проявляется в виде расслоения массива по естественным трещинам с возможным обрушением части расслоившегося массива в выработку и образованием свода естественного равновесия.

Изучению механизма расслоения массива и образования свода естественного равновесия пород посвящено достаточно много исследований. Однако разработанные в этой связи расчетные методы определения предельного пролета устойчивого обнажения пород являются весьма грубыми. В них не используются такие важные и вполне дос-

тупные на практике данные об изменчивости геометрии природных трещин и о состоянии трещинных контактов.

Вместе с тем данные по природной трещиноватости массива достаточно полно учитываются в методах инженерной классификации массива (N.Barton, Z.Bieniawski, Н.С.Булычев и другие), которые по своей сути являются методами экспертной оценки.

С целью более полного учета инженерно-геологических данных в оценке пролета устойчивого обнажения пород в диссертационной работе предлагается новый подход, который основан на соединении двух методов прогнозирования - метода экспертной оценки массива по Бартону и метода математического моделирования. В рамках этого подхода разработан метод оценки предельного пролета незакрепленного обнажения пород в очистных камерах, характерных для разработки рудных месторождений жильного типа.

В предлагаемом методе вводится рейтинг качества обнажения Qo6, который определяется соотношением

б

об

(RQD)jrJ'A {я,

JJa(SRF) J [g2

В первой фигурной скобке стоят показатели качества массива по Бартону: - показатель качества породы; /„ - показатель

системности трещин; _/г - показатель неровности трещин; у'0- показатель состояния трещинного контакта; показатель влияния водопритока;

- показатель влияния исходного напряженного состояния массива. Значения показателей установлены из анализа соответствующих натурных и лабораторных исследований.

Во второй скобке стоят показатели, характеризующие положение плоскости обнажения: g^ - показатель угла наклона обнажения; g2 - показатель ориентировки плоскости обнажения относительно наиболее развитой системы ровных протяженных трещин. Эти показатели нами определены в результате анализа напряженного состояния массива вблизи протяженной очистной выработки и условий равновесия структурного блока на обнажении пород. Для всех показателей имеются таблицы, в которых дано качественное описание ситуации и численное значение соответствующего показателя.

По значению рейтинга качества плоского обнажения определяется величина предельного пролета незакрепленного устойчивого обнажения пород в очистных камерах. При этом используется зависимость пролета обнажения и рейтинга качества массива, установленная Н.Бартоном, Р.Лиу, Дж.Лунде. Таким образом, сущность предлагаемого

метода заключается в следующем: (1) по таблицам находятся численные значения показателей КС^О ,]„ ,уг ,}а , _/,,,, , ; (2) по приведенному выше соотношению определяется значение рейтинга качества обнажения (?„с; (3) по графику известной зависимости I = ¥(0„й) определяется искомый пролет / .

Проверка на практике разработанного метода проводилась на полиметаллических рудниках Рудного Алтая (Белоусовском, Иртышском, им XX Съезда КПСС), а также на золотодобывающих рудниках. Узбекистана "Чадак", "Зармитан". Горно-геологические условия рудников весьма сильно различаются. В натурных условиях величина пролета устойчивого незакрепленного обнажения пород определялась по результатам наблюдений совместно со специалистами инженерно-геологической службы рудников. Это значение сопоставлялось со значением пролета, вычисленным с помощью разработанного метода. Расхождение никогда не превышало 20 %, как правило, оно составляло 5-10 %. Метод оценки вторнчного разубоживания руды при разработке крутопадающих жил малой и средней мощности.

В тех случаях, когда действительный пролет обнажения вмещающих пород в камерах превышает значение предельного пролета устойчивого обнажения / имеет место вторичное разубоживание руды, вызванное

отслоением вмещающих пород с обнажений висячего и лежачего боков. В работе разработан метод прогноза вторичного разубоживания руды в камерах для случая разработки крутопадающих жил малой и средней мощности.

Процесс отслоения вмещающих пород описывается с помощью параметра интенсивности отслоения, который представляет собой величину объема отслоившейся породы с единицы поверхности открытого обнажения за единицу времени. Для простоты считается, что интенсивность отслоений в камере постоянна во времени и одинакова для различных участков обнажения. Рассматривая процесс отслоений пород при увеличении пролета обнажения, получена формула для вторичного разубоживания руды р2 в очистной камере

1

Рг 1 + (2ЭЬу) / [(Ск)(Ь2 - 12нр)] '

где Ь - длина камеры, 5 - ширина камеры, V - интенсивность выемки в

в *

камере по простиранию, I ^ - суммарная интенсивность отслоений на обнажениях висячего и лежачего боков, к - коэффициент влияния техно-

логии отработки камеры, (Этот коэффициент характеризует степень открытости обнажения пород).

Значение пролета /Ир находится с помощью изложенного выше ме-1 *

тода. Значения и к определить теоретически трудно, однако произведение этих параметров можно оценить по известным данным о разу-боживании руды в опытных камерах, используя при этом "обратный анализ" .

Метод прогноза вторичного разубоживания использован в оценке изменения разубоживания руды на Иртышском руднике и на руднике им. XX Съезда КПСС при разработке проектов увеличения длины очистных камер. В частности, для Иртышского рудника было установлено, что формальное увеличение длины очистных камер с 20-30 м до 50 м привело бы к недопустимому повышению вторичного разубоживания (до 15 -42 % в зависимости от горно-геологических условий).

Для сохранения значения вторичного разубоживания руды на прежнем уровне было рекомендовано увеличить интенсивность отработки камер. Например, из расчета следовало, что для сохранения вторичного разубоживания на уровне, соответствующем камерам длиной 30 м, необходимо при отработке камер длиной 50 м увеличить интенсивность выемки по простиранию в среднем в 1,8 раза (в зависимости от горногеологических условий в 1,3 - 2,0 раза).

Опытно-промышленная отработка камер длиной 50 м подтвердила справедливость сделанных предложений. Это свидетельствует о том, что исходные положения метода прогноза вторичного разубоживания вполне оправданы. Следовательно, метод может быть использован для оценки вторичного разубоживания руды на других крутопадающих жильных месторождениях малой и средней мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой. В ней развивается новое научное направление - изучение процесса образования техногенных трещин в массиве горных пород на больших глубинах под действием природных и техногенных факторов: горного давления, свободного и растворенного газа, воды. Это направление геомеханических исследований имеет фундаментальное значение для развития теоретических исследований в горной геомеханике, для прогноза проявлений горного давления, для расчета крепи выработок, для разработки и совершенствования инструментальных методов контроля горного давления на больших глубинах, а также для разработки новых способов разрушения массива.

Основные научные и практические результаты з;'!..:'?ча:отся в следующем.

1. Разработаны основы теории развития отрывных трещин з сл<а-тых горных породах.

2. Установлено принципиальное различие процесса трлцикообра-зования в породах при действии растягивающего напряжения и сжимающих напряжений. При действии растягивающего напряжения микродефектность породы имеет определяющее значение только для начала развития трещин. При действии сжимающих напряжений микродефектность породы определяет способность развития трещин из только в начальный момент, но и в течение всего процесса их роста.

3. Доказано, что структура наведенной трещпноватости вблизи свежего обнажения пород в выработке на большой глубине не может быть однотипной. Непосредственно у стенки выработки (а также у забоя) должны развиваться искривленные трещины, образуя приповерхностную зону дезинтеграции массива, где ограниченные со всех сторон наведенными трещинами куски породы едва сцеплены друг с другом. Мощность приповерхностной зоны дезинтеграции в выработке диаметром несколько метров в зависимости от свойств породы к напряженного состояния может составлять несколько десятков сантиметров. Вне этой зоны наведенные трещины ориентированы вдоль стенки выработки и, следовательно, параллельны друг другу. Эти закрытые трещины могут быть протяженными. Они не соединяются, т.е. не дезинтегрируют массив.

4. Из исследований следует, что зона наведенных искривленных трещин может сформироваться также в глубине массива вблизи "ложного контура" выработки - магистральной трещины отрыва, образующейся при нарушении равновесного состояния массива.

5. Показано, что если в нетронутом массиве главные напряжения равны, и выработка находится вне зоны опорного давления, то происходит равномерное отслоение кусков породы со стенок и кровли выработок. Если главные напряжения, действующие перпендикулярно направлению проходки выработки, не равны, то отслоение по: оды о с:::юк выработки развивается в направлении действия наименьшею главного напряжения. Устойчивая форма выработки имеет элемент в виде двугранного угла, в вершине которого отслоение породы останавлли;.. ,тся.

6. Разработаны модели развития отрывных макротрещин в крупнопористой и микротрещиноватой газоносных породах, содержащих свободный газ. Показано также, что в разрушении газоносных пород может принимать непосредственное участие абсорбированный (или растворенный) газ.

7. Установлено, что в рассмотренном гидрогазоимпульсном методе разрушения твердых полезных ископаемых в качестве рабочего агента целесообразно использовать воду с растворенной углекислотой. Применение в качестве рабочего агента обычной (негазонасыщенной) воды имеет смысл лишь в том случае, когда природная или наведенная пористость ископаемого (в отношении крупных пор) не ниже 15 %. Эффективность этого метода разрушения должна расти с глубиной. Метод должен быть наиболее эффективным для тех глубин, на которых природное напряжение превышает примерно половину прочности ископаемого на одноосное сжатие.

8.Разработан инженерный метод оценки предельного пролета незакрепленного обнажения вмещающих пород в очистной камере, вблизи которой формируется область растяжения массива. Для тех случаев, когда пролет обнажения пород превышает значение предельного пролета устойчивого обнажения, и в камере происходит отслоение пород, разработан метод прогноза вторичного разубоживания руды. Метод прошел опытную проверку на рудниках Рудного Алтая.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Учет трещиноватости в механике массивов горных пород // Технология разработки и обогащения полезных ископаемых. - М.: СФТГП Ин-т физики Земли АН СССР, 1975, (соавтор В.А.Трофимов).

2. Расчет напряженно-деформированного состояния рудного массива возле протяженной одиночной выработки // Физико-технические проблемы разработки и обогащения полезных ископаемых . - М. : СФТГП ИФЗ АН СССР, 1976.

3. О моделировании на ЭВМ стреляния и шелушения пород в горных выработках // Горные удары, методы оценки и массивов горных пород. - Фрунзе: Илим, 1979, (соавтор В.А.Трофимов).

4. Устойчивость горных выработок по фактору стреляния, заколообра-зования и шелушения // Вопросы механики горных пород. - М.: ИПКОН АН СССР, 1979, (соавторы В.А. Трофимов, С.В.Трумбачева, В.А. Шильцев).

5. Методология расчета горного давления. - М.: Наука, 1981, (соавторы С.В.Кузнецов , М.Э. Слоним , В.А.Трофимов ).

6. Два типа обрушений на обнажениях трещиновато-блочного массива горных пород // Исследование параметров и показателей эффективности разработки жильных месторождений. - М.: ИПКОН, 1983.

7. О некоторых особенностях напряженного состояния массива хрупких горных пород вблизи одиночной выработки // ФТПРПИ -1985. -N2.

8. Разрушение хрупких горных пород отрывом в условиях всестороннего сжатия // Аннот. Докл. VI Всес. съезда по теоретической и прикл. механике. - Ташкент, 1986.

9. Влияние угла наклона обнажения трещиновато-блочного массива горных пород на его устойчивость // Исследования в области совершенствования систем разработки жильных месторождений. - М: ИПКОН АН СССР, 1986.

10. Об эффективности штангового крепления монорельса при выемке жил прирезками по простиранию // Исследования в области совершенствования систем разработки жильных месторождений,- М: ИПКОН АН СССР, 1986 (соавтор Ю.П.Галченко).

11. Экспертно-аналитический метод определения пролета обнажений горных пород при разработке крутопадающих жильных месторождений // Проблемы механики горных пород. - М: Наука, 1987.

12. Образование протяженных сомкнутых трещин отрыва в хрупких горных породах // Докл. АН СССР. 1987. -Т. 294. - N 4. (соавтор Л.В.Никитин).

13. Механика отрывного разрушения сжатых газоносных горных пород // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. - 1988 - N 6 (соавтор Л.В.Никитин).

14. Распространение трещин отрыва в сжатых горных породах // Пластичность и разрушение твердых тел. -М.:Наука, 1988, (соавтор Л.В.Никитин).

15. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля // ФТПРПИ. - 1989.-Ы5.(соавторы В.А.Бобин, Б.М. Зимаков).

16. Устойчивость деформирования массива вблизи одиночной выработки и зональная дезинтеграция горных пород // Тезисы Докл. VII Всес. научн. школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами".- Симферополь: СГУ, 1990.

17. Запредельное деформирование и зональная дезинтеграция горных пород вблизи выработок на больших глубинах // Горное давление и технология подземной разработки руд на больших глубинах. - М.: ИПКОН АН СССР, 1990.

18. Неустойчивость и разрушение геоматериалов при сжатии // Деформирование и разрушение горных пород. - Фрунзе: Илим, 1990, (соавтор Л.В.Никитин).

19. Геомехаиич'еский анализ условий отработки глубоких горизонтов Зыряповл<ого г;1 порождения // Методические принципы проектирования предприятий при комплексном освоении месторождений. - М.: ИПКОН РАН, 1992, (соазторы В.Н.Безруков, И.В.Милетенко).

20. Scale effeci ¡n rock axial splitting // Scale effects in rock masses 93. -Rotterdam: A.A.Balkema, 1993.

21. Огрывно; разрушение и зональная дезинтеграция массива вблизи глубоких вь'работок // Тезисы докл. X междунар. конф. по механике горн, пород. - М.: ИГД, 1993.

22. Компьютерное моделирование развития трещин отрыва вблизи обнажения в глубокой выработке // Тезисы докл. X межд. конф. по механике горн, пород. - М.: ИГД, 1993, (соавтор В.А.Трофнмов).

23. Разнит-¡е трещины гидроразрыва в слабопроницаемом массиве горных пород // Вопросы разрушения горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1994.

24. Масштабный эффект в развитии трещин отрыва при сжатии горной породы // Геология и геофизика. - 1994. - N 12.

25. О механизме зональной дезинтеграции массива горных пород вблизи глубоких выработок// ФТПРПИ. - 1994. -N 4.

26. Метод аналитического прогноза динамических проявлений горного давления // ФТПРПИ. - 1995. - N 4.

27. Механика гидро-газоимпульсного воздействия на трещиновато-пористую породу при скважинной гидродобыче // ФТПРПИ. - 1995.-N 5, (соавторы В.И. Карев , Ю.Ф. Коваленко).

28. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996.

29. Внезапный выброс угля и газа - разрушение природного угля как раствора метана в твердом веществе // ФТПРПИ. - 1997. - N 6.

Лицензия ЛР N21037 от 08 февраля 1996 г. Подписано в печать 29.01.98г. Формат 63x84 1/16. Бумага "MEGA COPY OFFICE". Печать офсетная. Объем 2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 36.

Издание ИПКОН РАН 111020, Москва, Крюковский тупик, 4.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

На правах рукописи

ОДИНЦЕВ Владимир Николаевич

Ш

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОТРЫВНЫХ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ВБЛИЗИ ВЫРАБОТОК НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.15.11. - "Физические процессы горного производства"

Ч. лГ\ У-

"1 Г ~ Г, 1

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................6

Список основных обозначений.............................: 16

Глава 1. ОТРЫВНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПРИ СЖАТИИ -ОДИН ИЗ ОСНОВНЫХ ВИДОВ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ.....................19

1.1. Лабораторные эксперименты по отрывному разрушению образцов пород....................................19.

1.2. Шахтные наблюдения ..............................32

1.3. Отрывное разрушение сильнотрещиноватых массивов

горных пород.....................................41

1.4. Наблюдения отрывного разрушения газоносных пород.....48

1.5. Выводы по главе...................................53

Глава 2. ТЕОРИЯ ОТРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ СЖАТЫХ

СКАЛЬНЫХ ПОРОД..................................... 54

2.1. Исходные посылки................................ 54

2.2. Деформации растяжения породы при неравномерном сжатии 56

<

2.3. Микромеханика отрывного разрушения.................59

2.4. Принципы построения моделей отрывных макротрещин.....69

2.5. Поровая модель....................................72

2.6. Микротрещинная модель.............................82

2.7. Криволинейные отрывные макротрещины...............93

2.8. Масштабный эффект в развитии макротрещин...........110

2.9. Основные выводы из теории..........................113

Глава 3. ОТРЫВНЫЕ ТРЕЩИНЫ В ГАЗОНОСНЫХ ПОРОДАХ.....120

3.1. Математические модели макротрещин при учете свободного

газа...............................................120

3.2. Поровая модель с учетом свободного газа................122

3.3. Микротрещинная модель с учетом свободного газа........ 125

3.4. Основные выводы в отношении влияния свободного газа .... 127

3.5. Влияние абсорбата на трещиностойкость угля............ 129

3.6. Модель разрушения природного угля как раствора метана в твердом веществе.................................... 132

3.7. Основные выводы в отношении влияния абсорбированного (растворенного) метана..................... 147

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД......................................... 148

4.1. Структура наведенной трещиноватости массива у стенки выработки........................................... 148

4.2. Формоизменение сечения горной выработки...............151

t -

4.3. Развитие трещины гидроразрыва..........................................158

4.4. Выводы по главе..........................................................................168

Глава 5. МЕХАНИЗМ ЗОНАЛЬНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАССИВА

ПОРНЫХ ПОРОД....................................................................................170

5.1. Зональная дезинтеграция вблизи забоя очистной выработки . . 170

5.2. Запредельное деформирование краевой части пласта..................172

5.3. Неустойчивость деформирования пласта...................179

5.4. Структура наведенной трещиноватости.......................184

5.5. Основные выводы..............................................186

Глава 6. ПРИМЕР УПРАВЛЕНИЯ ОТРЫВНЫМ РАЗРУШЕНИЕМ. МЕТОД ГИДРОГАЗОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОРИСТОЙ

ПОРОДЫ..................................................................................................187

6.1. Гидрогазоимпульсное воздействие на массив горных пород .... 187

6.2. Определение радиуса области отслоения породы........................190

6.3. Пример расчета гидрогазоимпульсного воздействия на массив . 199

6.4. Выводы и рекомендации............................................................205

Глава 7. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПЛОСКИХ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ ОБНАЖЕНИЙ ТРЕЩИНОВАТЫХ

ПОРОД......................................................................................................207

7.1. Новые подходы к оценки устойчивости обнажений пород .... 207

7.2. Экспертно-аналитический метод оценки пролета устойчивых

незакрепленных обнажений . .............................. 209

<

7.3. Два типа обрушений пород в очистных камерах крутого

наклона.............................................. 220

7.4. Метод оценки вторичного разубоживания руды при разработке

крутопадающих хил малой и средней мощности............... 227

7.5. Примеры оценки устойчивости обнажений пород........................232

7.6. Выводы по главе............................................................238

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................239

Список литературы......................................................................................244

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Добыча твердых полезных ископаемых в настоящее время и, в значительной степени, в перспективе связана с разработкой месторождений на больших глубинах [24]. Проблемы эффективности, безопасности, экологии горного производства на больших глубинах необходимо решать в рамках общего научного подхода к освоению природных богатств [136]. Среди горных наук, составляющих базу такого подхода, важное место занимает горная геомеханика [ 9,10,27,79,168,188].

Изучение геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород при разработке ископаемых, должно способствовать созданию новых схем добычи [24,43], разработке аналитических и инструментальных методов контроля и прогноза геомеханических явлений [51,68,69,113]. С помощью теории и практики горной геомеханики может быть разработана технология управления геомеханическими процессами в соответствии с общей концепцией освоения недр [17,23,25].

В связи с разработкой месторождений на больших глубинах особую актуальность приобретают проблемы обеспечения устойчивости очистных и подготовительных выработок. На больших глубинах новый фактор начинает играть определяющую роль в устойчивости горных геоконструкций. С глубиной увеличивается природное горное давление в массиве пород, поэтому наибольшее главное напряжение в элементах горных геоконструкций превосходит прочность пород на одноосное сжатие. Это является причиной возникновения процесса трещинообразования в горных породах - образования новых (наведенных) трещин под влиянием перераспределения горного давления вблизи выработок. Наведенная трещиноватость массива горных пород существенно изменяет трещинную структуру массива вблизи выработок, следовательно, его реакцию на природные и техногенные воздействия.

Если напряженному состоянию и деформациям массива уделяется большое внимание как в фундаментальных, так и прикладных исследованиях, то вопросы

образования наведенной трещиноватости вблизи выработок и проявления этой трещиноватости остаются часто на втором плане. Теоретически они мало изучены, хотя в нашей стране, а также в ЮАР, США, Канаде и ряде других стран накоплен достаточный натурный материал для развития соответствующих фундаментальных и прикладных исследований. Данные полевых наблюдений и шахтные эксперименты подтверждают влияние наведенной трещиноватости на устойчивость выработок и ее участие в разнообразных проявлениях гррного давления в выработках и скважинах.

Таким образом, есть весомые основания ожидать, что изучение условий образования и проявлений наведенной трещиноватости в массиве горных пород может способствовать появлению новых идей в разработке мероприятий по повышению устойчивости выработок и предотвращению опасных динамических проявлений горного давления, а также в создании новых способов добычи, учитывающих геомеханические особенности больших глубин.

Наведенные трещины в массиве горных пород условно можно разделить на трещины сдвига и отрыва. Природа образования наведенных сдвиговых трещин достаточно ясна: рост трещин вызывают касательные напряжения. Природа образования отрывных трещин в сжатых массивах долгое время оставалась непонятной. Сначала было установлено, что даже в сильно сжатом массиве горных пород вблизи выработок определенной конфигурации могут образовываться локальные области растягивающих напряжений и в этих областях может происходить расслоение массива.

Однако из шахтных наблюдений и экспериментов следовало, что на больших глубинах отрывные трещины могут образовываться в горном массиве вблизи выработок и скважин даже при отсутствии растягивающего напряжения. Развитие отрывных трещин при сжатии - парадоксальное явление. У многих исследователей оно до сих пор вызывает недоумение, поскольку не ясно, что же является движущей силой развития трещин.

Непонимание механизма развития отрывных наведенных трещин в сжатых породах, отсутствие теории и соответствующих модельных разработок сдерживают развитие прикладных исследований, в рамках которых можно было бы

количественно описать закономерности образования трещин, установить связь между параметрами зон разрушения и напряжениями в массиве, определить структуру наведенной трещиноватости и таким образом способствовать практическому решению проблемы устойчивости выработок на больших глубинах.

Настоящая работа в главной своей части посвящена фундаментальным исследованиям развития наведенных отрывных макротрещин в горных породах, находящихся в условиях всестороннего сжатия. (Макротрещинами мы будем здесь называть трещины, длина которых на порядок превышает характерный размер микроструктурных неоднородностей. В горных породах обычно это трещины длиной несколько сантиментов и более). В работе рассматриваются вопросы теории и моделирования процесса трещинообразования, а также управления этим процессом. Рассматриваются также методы практической оценки устойчивости выработок для тех случаев, когда отрывное разрушение вызвано растяжением массива, причем это разрушение связано с проявлением естественной трещиноватости массива.

Диссертационная работа выполнялась в рамках исследований ИПКОН РАН (АН СССР) по заданиям ГКНТ, РАН (АН СССР), МЦМ СССР: "Разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород и параметров систем разработки месторождений по фактору горного давления 1974-78 гг." (Пост. ГКНТ 26/Х1- 76 N 430, Расп. АН СССР 2/Н-77 N 10103-258); " Научные основы создания системы прогноза и контроля напряженного состояния массива при разработке рудных месторождений на больших глубинах 1979-81 гг." (Пост. ГКНТ 27.VII.78 г. N 367, МЦМ и АН СССР 6.У.78 г. N 230/45); "Исследование физических процессов проявления горного давления при разработке месторождений твердых полезных ископаемых на больших глубинах 1988-88 гг." (Проток. АН и МЦМ СССР 06.12.83 N 154/85); " Исследование закономерностей проявления горного давления и сдвижения горных пород и массивов 1994-96 гг." (Расп. РАН 21/07/93 N 10103-360).

Кроме того, часть диссертационной работы выполнялась по проектам Российского фонда фундаментальных исследований:

- " Механика горных ударов и микросейсмический контроль разрушения мае сива горных пород около выработок" 93-05-9395);

- "Механика гидрогазоимпульсного воздействия на трещиновато-пористые породы при скважинной гидродобыче полезных ископаемых" (К 94-05-17553);

- "Неустойчивость деформирования массива скальных пород вблизи обнажений пород в глубоких выработках и образование диссипативных структур нарушенное™ " (К 96-05-65884).

Главная цель работы заключается в разработке теории развития отрывных трещин в сжатых горных породах и ее приложений для исследования геомеханического процесса разрушения массива вблизи подземных выработок под действием горного давления, а также при действии таких факторов (природных и искусственных), как газ и вода.

Главная шея работы заключается в разработке и применении в исследованиях математических моделей отрывных трещин, которые учитывают не только напряженное состояние и деформационные свойства породы, но и наиболее характерные природные микродефекты породы, провоцирующие трещи-нообразование и способные вмещать газ или воду.

Методы исследований включают анализ лабораторных данных по отрывному разрушению горных пород, натурные наблюдения за природной и наведенной трещиноватостью массива вблизи выработок, аналитические и численные методы расчета напряженно-деформированного состояния горных пород, методы механики трещин Гриффитса-Ирвина, методы инженерной классификации скальных массивов, промышленную проверку некоторых разработок на горнорудных предприятиях.

Основные положения, защищаемые в диссертации:

1. При достижении прочности породы в условиях, близких к одноосному сжатию, в хрупкой породе с плотной зернистой структурой развиваются отрывные трещины с взаимодействующими берегами (закрытые трещины). При постоянной нагрузке распространение этих трещин должно происходить в динамическои режиме.

В породах с крупнопористой структурой отрывные трещины в зависимости от соотношения главных компонент сжимающих напряжений могут быть открытыми и закрытыми. При отсутствии порового заполнителя трещины развиваются квазистатически.

2. В крупнопористой газоносной породе свободный газ, заполняющий поры, играет важную роль в развитии трещин отрыва в том случае, если его давление превышает наименьшее главное напряжение в породе. При этом условии в могут развиваться открытые трещины в динамическом режиме. Если давление свободного газа меньше наименьшего главного напряжения, а максимальное напряжение сжатия превышает прочность породы на одноосное сжатие, то в квазистатическом режиме возможно развитие закрытых трещин. В газоносной породе, содержащей свободный газ в микротрещинах с просветом менее 0,01 мм (например, в природном перетертом угле),свободный газ влияет только на начало роста трещин.

3. Газ, находящийся в природном угле в абсорбированном состоянии (в другой концепции - в растворенном состоянии), при динамическом изменении напряженного состояния угля может принимать непосредственное участие в развитии отрывных микро- и макротрещин. При условии высокой газоносности угля и его малой трещиностойкости этот газ способен дробить уголь до частиц"бешеной муки".

4. Наведенная трещиноватость массива вблизи свежего обнажения пород в выработке на большой глубине имеет два вида. Непосредственно у стенки выработки развиваются искривленные трещины, образуя зону дезинтеграции массива, где происходит отслоение пород. Вне этой зоны отрывные трещины ориентированы вдоль поверхности обнажения пород.

5. Если в нетронутом массиве главные напряжения равны и одиночная выработка находится вне зоны опорного давления, то происходит равномерное отслоение породы со стенок и кровли выработки. Если главные напряжения, действующие перпендикулярно направлению проходки выработки, не равны, то отслоение породы со стенки выработки развивается преимущественно в направлении действия наименьшего главного напряжения. Устойчивая форма выработки имеет элемент в виде двугранного угла, в вершине которого отслоение останавливается.

6. Отслоение пород со стенок выработок в массивах с явно выраженной хаотической трепщноватостью или в зонах рассланцевания пород является относительно длительным процессом. В этом случае время стояния незакрепленных обнажений вмещающих пород может быть эффективным элементом управления вторичным разубоживанием руды в очистных камерах.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1) Разработаны основы теории отрывного разрушения массива горных пород на больших глубинах.

2) Выявлены закономерности проявления масштабного эффекта в развитии отрывных трещин в сжатых плотных породах.

3) Разработаны модели развития трещин отрыва в газоносных породах, содержащих в порах и микротрещинах свободный газ. Установлено, что и в пористой, и в микротрещиноватой газоносных породах возможно образование скрытых областей трещиноватости.

4) В рамках механики трещин Гриффитса-Ирвина разработана модель разрушения метанонасыщеного угля, как твердого раствора метана в твердом угольном веществе.

5) В уравнение равновесия трещины гидроразрыва включен параметр, отражающий влияние микродефектности породы. Это позволяет исследовать влияние на развитие этой отрывной трещины природного напряжения, действующего вдоль направления развития трещины.

6) Рассмотрен механизм зональной дезинтеграции (зонального трещино-образования) пород. Показано, что внутренняя зона дезинтеграции может об-

разеваться в результате нарушения равновесного состояния массива, некоторая область которого испытывает запредельные деформации.

7) Разработана модель отрывного разрушения крупнопористой породы газонасыщенной водой при динамическом перераспределении горного давления. Произведена оценка длины трещин, проросших из шаровидных и цилиндрических пор при совместном действии горного давления, воды и газа, выделяющегося из воды при снижении ее давления.

8) Разработан метод оценки предельного пролета устойчивого обнажения пород, который объединяет подходы инженерной классификации массива горных пород и математического моделирования напряженного состояния.

9) Разработан метод прогноза вторичного разубоживания руды в очистных камерах при разработке крутопадающих рудных тел малой и средней мощности.

Достоверность научных положений и выводов определяется:

- корректностью постановки теоретических задач;

- применением современных апробированных метод�