Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения"
На правах рукописи
ОПАНАСЮК Александр Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРЕДРАЗРУШАЮЩЕЙ ОБЛАСТИ НАГРУЖЕНИЯ
Специальность - 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток 2006
Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете
Научный руководитель - докт. техн. наук, проф. В.В.Макаров
Официальные оппоненты:
докт. физ.-м. наук, проф. B.C. Куксенко
канд. техн. наук, доц. H.A. Николайчук
Ведущее предприятие — ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск
Защита состоится « 26 » декабря 2006 г. в 14 час, на заседании диссертационного совета Д 212.055.04 при ГОУВПО «ДВГТУ» по адресу: 690950, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 33а, ауд. Г-135. Факс 8(4232) 266-988. E-mail: sannekl@mail.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.
Автореферат разослан « 26 » ноября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, K.T.H. доцент
В.Н. Макишин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Деформирование горных пород в предразрушающей области нагружения зачастую приобретает аномальный реверсивный характер, что может быть использовано в качестве предвестника геодинамических явлений. До настоящего времени основным деформационным предвестником разрушения было принято считать явление дилатансии, заключающееся в увеличении объема горной породы при сжатии. Однако дилатансия может быть рассмотрена только как долгосрочный предвестник геодинамического явления.
Выявление среднесрочных и краткосрочных предвестников геодинамических явлений требует проведения исследований закономерностей деформирования горных пород в состоянии предразрушения. Эффект аномального реверсивного деформирования, а также известное явление разнознакового деформирования породы по высоте образца в состоянии сильного сжатия являются первыми результатами такой работы. Однако исследования закономерностей реверсивного деформирования образцов сильно сжатых горных пород по периметру образца не проводилось. Требует уточнения также механизм аномального деформирования образцов горных пород в состоянии сильного сжатия. Не была разработана и математическая модель, адекватно описывающая состояние сильно сжатого образца горной породы.
Исследование закономерностей деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения и разработка на этой основе механизма, математической модели и метода прогноза разрушения является актуальной задачей геомеханики.
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), а также по программе Министерства Образования РФ (тема ГБ53.1.6.02) и совместного интеграционного проекта ДВО РАН с УрО РАН (ДВО РАН 06-П-УО-01-001).
Цель работы заключается в установлении закономерностей развития деформационных аномалий в образцах горных пород в предразрушающей области нагружения и разработке на этой основе механизма, математической модели и метода прогноза разрушения горных пород.
Основная идея работы заключается в экспериментальном исследовании закономерностей деформирования образцов сильно
сжатых горных пород и применении методов механики дефектных сред для установления механизма наблюдающихся здесь явлений как теоретической основы метода прогноза разрушения горных пород.
Задачи исследований заключаются в экспериментальном исследовании закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения; экспериментальной проверке основных гипотез реверсивных деформаций; разработке математической модели образца горных пород в состоянии предразрушения; разработке метода прогнозирования разрушения горных пород, основанного на деформационных предвестниках.
Методы исследований включают лабораторные экспериментальные методы, аналитические методы механики дефектных сред.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
1. Образец горной породы в состоянии предразрушения деформируется с образованием периодических мезотрещинных структур.
2. Математическая модель явления периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых образцов горных пород основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды, распределение напряжений в которой обусловлено периодическим характером развития мезотрещинной структуры.
3. Механизм явления периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых образцов горных пород заключается в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов -образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер.
4. Прогнозирование разрушения образцов горных пород основывается на использовании в качестве долгосрочного предвестника разрушения порога дилатансии, в качестве среднесрочного предвестника разрушения горной породы -момент формирования периодической мезотрещинной структуры,
а в качестве краткосрочного предвестник разрушения - момент начала перераспределения деформационных реверсивных деформаций образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем: экспериментально установлено явление периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающееся в том, что в образце горных пород, как в осевом, так и в окружном направлении формируются чередующиеся области положительных и отрицательных приращений объемных деформаций, что является следствием формирования в образце периодической мезотрещинной структуры;
разработана математическая модель явления периодического осцилляционного деформирования образцов сильно сжатых горных пород, которая основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды; численно исследовано решение задачи о напряженном состоянии образца горных пород в состоянии сильного сжатия, нагруженного в торцевых частях осевой нормально действующей нагрузкой, и установлено удовлетворительное совпадение результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные отклонения не превышают 19 %);
- установлен механизм формирования периодической мезотрещинной структуры образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов -образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер;
- разработан метод прогнозирования разрушения образцов горных пород по деформационным предвестникам, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения реверсивных деформаций образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Достоверность результатов исследований обеспечивается повторяемостью экспериментально установленных деформационных эффектов в различных лабораториях России и Китая, а также удовлетворительным совпадением результатов экспериментальных и аналитических исследований.
Научное значение работы заключается в установлении новых закономерностей периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых горных пород, разработке математической модели и механизма явления периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в состоянии предразрушения при одноосном сжатии.
Практическое значение работы состоит в разработке метода прогноза геодинамических явлений, включающего долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный деформационные предвестники.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (2002, 2004, 2006), Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск, 2003г.), Международной конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (г. Тула, 2004 г.), Международном симпозиуме «Geological Engineering and Geological Hazards» (г. Чан Чунь, КНР, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, и заключения. Содержит 164 страницы текста, 3 таблицы, и 67 рисунков, список литературы из 153 наименований. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Исследованиям закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения посвящены работы Ю.М.Карташова, В.С.Куксенко, А.Пономарева, С.Г.Соболева, А.Н.Ставрогина, Б.Г.Тарасова, К.Т.Тажибаева, И.С.Томашевской, Б.Я.Хамидуллина, Z.T.Bieniawski, W.F.Brace, J.D.Byerlee,. J.Gramberg,
D.A.Lockner, K.Mogi, M.Kwasniewski, Osamu Idehara, J.R.Rice, Th.R.Seldenrath, и других. Установлено явление дилатансии, заключающееся в увеличении объема горной породы при сжатии за счет появления микротрещин.
Закономерности развития в образцах горных пород микро-, мезо- и макротрещин исследовано экспериментально и теоретически в процессе определения гипоцентров очагов акустической эмиссии, происходящей на всех стадиях предразрушения, в работах
E.Е.Дамаскинской, В.С.Куксенко, В.Н. Одинцева, Н.Г. Томилина,
Z.Fang, J.P.Harrison, D.A.Lockner, Osamu Idehara, O.K. Nishizawa и других.
Исследованиям деформационных аномалий образцов горных пород перед разрушением посвящены работы Ю.М.Карташова,
B.В.Макарова, Н.А.Никсшайчука, К.Т.Тажибаева, И.С.Томашевской, Б.Я.Хамидуллина, С.Г.Соболева, Osamu Idehara других. Установлено явление смены знака приращения (реверс) продольных и поперечных деформаций перед разрушением, аномальный характер объемных деформаций, а также разнознаковый характер приращения деформаций по высоте образцов горных пород.
Гипотезы относительно механизмов деформационных аномалий горных пород перед разрушением выдвинуты В.В.Макаровым,
C.Г.Соболевым, К.Т.Тажибаевым, И.С.Томашевской, Б.Я .Хам идулл иным.
Математические модели и анализ напряженного состояния образцов горных пород рассмотрены в работах М.А.Гузева, А.А.Ушакова, Б.В.Федосеева, J.Gramberg, A.O.Kotte и других.
Деформирование образцов горных пород приобретает аномальный реверсивный характер после достижения нагрузкой порога дилатансии, что и принимается за состояние сильного сжатия. В этих условиях микроразрушение образцов локализуется и приобретает очаговый характер, подготавливающий макроразрыв. Очень часто тензодатчики, находящиеся в непосредственной близости от участков реверсивного деформирования, выходят из строя без признаков предварительного аномального деформирования. Поэтому необходимо связывать «положительную» деформационную аномалию с очагами макроразрушения. В этом случае «отрицательная» реверсивная деформационная аномалия характеризует участки образца, непосредственно примыкающие к этим очагам.
Логично поэтому было бы говорить о формировании в образце горных пород в состоянии сильного сжатия мезотрещинных структур, поскольку трещинов атость в этом случае имеет главным образом зернограничный характер.
Исследованы закономерности развития мезотрещинных структур по периметру образца. Сформулирована гипотеза разнознакового (периодического) приращения деформаций по периметру образцов горных пород при одноосном сжатии. Поскольку реверсивный характер деформаций ("отрицательная" деформационная аномалия) возникает на разных по высоте образца участках в торцевой или в средней части, постольку соответственно «положительная» деформационная аномалия, связанная с формированием очага
макроразрушения, может возникнуть также соответственно в средней или торцевой части образца. Особенно интересен случай, когда реверсивные деформации фиксируются в центральной части образца, то есть там, где в соответствии с устоявшимися представлениями должен располагаться очаг макроразрушения. Для устранения возникшего противоречия естественным образом возникает гипотеза разнознакового (периодического) приращения деформаций образцов сильно сжатых горных пород при одноосном сжатии по периметру образца. Иначе говоря, непосредственно рядом с очагом макроразрушения деформации должны принимать реверсивный характер.
Для подтверждения гипотезы разработана методика тензорезисторных измерений деформаций в центральной части образца по многоточечной схеме, которая показана на рис. 1,а. Всего было испытано 4 серии по 10 образцов каждый. Результаты эксперимента представлены на рис. 1,Ь.
Хорошо видны два типа деформационных кривых как в продольном, так и в поперечном направлении. При этом реверсивный характер деформаций сменяется обычным деформированием при обходе контура образца, затем при дальнейшем обходе вновь идет переход к реверсивным деформациям и затем — вновь к обычному их характеру.
Особенно отчетливо периодический характер деформирования по периметру образца прослеживается при анализе приращений объемных деформаций. На рис. 2 показано характерное распределение приращений объемных деформаций относительно периметра образца. Периодическая картина изменения характера деформирования вдоль периметра не оставляет сомнений. Таким образом, реверсивный характер приобретают деформации только сильно сжатых образцов горных пород. Деформационные аномалии возникают локально, причем как по высоте образца, так и по его периметру они чередуются с аномалиями "обычного" знака и могут перераспределяться с ростом напряжений. Исследованы закономерности изменения объемных деформаций сильно сжатых горных пород. На рис. 3 показаны зависимости объемных деформаций от напряжений для двух соседних пар тензорезисторов (на рис. 2,а пары 3,9 - 4,6).
/ст,МПа 30
20
■10 У/* а- - датчики • - датчики ■ - датчики 3,9 2,8 4,6
8±хю"3 ♦ - датчики 8пх1о3 5,7
Рис. 1. Результаты эксперимента по определению периодического осцилляционного деформирования в центральной части образца при одноосном
После достижения порога дилатансии кривые объемных деформаций на этих участках ведут себя прямо противоположным образом. В области реверсивных деформаций образуется и - образная кривая, а в очаговой области - Б-образная. Таким образом, в сильно сжатом (дилатированном) состоянии породы деформируются с образованием периодических мезотрещинных структур.
по периметру образца горной породы (1)
40 30
20
10
о
БухМ^ЗООО 2000 1000
Рис. 3. и-образный (1) и Б-образный (2) характер кривых объемных деформаций сильно сжатых образцов горных пород
ст, МПа
(Ту
^ - | датчики 4,6 \ \ \
Рассмотрены все известные гипотезы, формирования реверсивных деформационных аномалий в образцах горных пород при сжатии. В работе В.В.Макарова была показана несостоятельность гипотезы остаточных напряжений. Рассмотрены другие гипотезы, привлекаемые для объяснения эффекта реверса деформаций в предразрушающей области нагружения: гипотеза упругого восстановления материала около трещин отрыва, развивающихся в породе при сжатии; гипотеза распирающего действия сдвиговых микродефектов; гипотеза очага макроразрушения, моделируемого мягким включением; а также гипотеза очага макроразрушения, моделируемого мягким дилатирующим включением.
Все указанные гипотезы основываются на классических представлениях механики о деформировании и разрушении материалов. В рамках гипотез не рассматриваются представления о возникающих в породе мезотрещинных структурах, выполняются также все классические представления о напряженно-деформированном состоянии материалов, такие как условия совместности деформаций, монотонный характер напряжений вокруг рассматриваемых неоднородностей и т.д.
Отрыв при сжатии хорошо изучен в настоящее время, и представления о сложном, сдвиго-отрывном характере развивающихся здесь процессов прочно вошли в представления геомеханики. Поэтому возникает необходимость физического моделирования свойств сдвиго-отрывных трещин. Рассмотрение этих свойств как раз и позволяет оценить работоспособность рассмотренных гипотез механизма реверсивных деформаций.
Установлена несостоятельность гипотезы упругого восстановления материала около трещины, как причины реверсивных деформаций сильно сжатых горных пород.
Экранирующее разгружающее действие открытых трещин известно в механике достаточно давно. Развитие отрывной трещины, моделируемой распилом в нагруженном образце, также создает разгружающий эффект в окрестности распила, о чем свидетельствует, например, рис. 4.
Проведен следующий эксперимент: создан в нагруженном по схеме одноосного сжатия образце горной породы (аргиллите) распил, моделирующий трещину отрыва (трещину-полость) в соответствии с известным способом и измерим деформации так, как это показано на рис. 4. Как видим, непосредственно после создания распила происходят деформации сжатия, которые быстро сменяются деформациями
растяжения. Последнее объясняется релаксационными процессами, характерными для аргиллитов.
Соотношение компонентов деформаций разгрузки, измеряемое в различных направлениях относительно плоскости трещины, соответствует величине коэффициента Пуассона материала. Так на рис. 4 деформации в направлении, перпендикулярном, плоскости трещины, примерно на порядок превышают величину деформаций материала в направлении распространения трещины. Это свидетельствует о том, что трещина служит своеобразным экраном для приложенных перпендикулярно ее оси напряжений. Изменение остальных напряжений идет в соответствии с их «пуассоновской» связью.
СхЮ"
4
2
О
-2
-4
Рис. 4. Характер деформирования нагруженных образцов мягких горных пород во времени около искусственных трещин отрыва (распилов): 1,2- номера образцов
Если материал горной породы сжат, то после образования трещины в перпендикулярном к ее оси направлении должны происходить деформации относительного растяжения, а если растянут -то деформации относительного сжатия.
Проведенный эксперимент позволяет сделать два интересных вывода. Во-первых, установлено, что в горной породе при одноосном сжатии в направлении, перпендикулярном оси образца действуют
12
растягивающие напряжения. Величина их очень незначительна. Во-вторых, характер реакции нагруженного образца на образование трещины при таких напряжениях действительно напоминает приведенную на рис. 1 деформационную аномалию, однако релаксационные процессы быстро нивелируют указанный эффект. Поэтому правомерность гипотезы упругого восстановления деформаций должна быть подвергнута сомнению. Предположим, однако, что гипотеза верна, горная порода очень хрупкая и релаксационные процессы весьма незначительны. Трещина отрыва при одноосном сжатии образца должна распространяться в направлении его оси. В этом случае для того, чтобы обеспечить величину продольной аномалии, показанной на рис. 5, поперечная деформационная аномалия должна иметь величину, указанную штриховой линией. То есть «упругое восстановление» должно приводить к сжатию образца в окружном направлении, что физически невозможно. Можно также поставить вопрос иначе: «Как должна быть расположена трещина, чтобы выполнялось соотношение между величинами продольных и поперечных деформационных аномалий рис. 1»? Хорошо видно, что величина продольных аномалий больше величины поперечных Причем отношение поперечной аномалии к продольной в точности равно значению коэффициента Пуассона для данной горной породы. Учитывая разгрузочный характер для напряжений, перпендикулярных оси трещины, необходимо сделать вывод о расположении такой трещины горизонтально. Но при сжатии все горизонтальные трещины, как известно, закрываются. Поэтому появление такой трещины также невозможно физически.
Таким образом, гипотеза упругого восстановления деформаций около образующейся в образце горных пород при сжатии трещины должна быть отвергнута. Гипотеза обусловленности реверсивных деформаций распирающим действием сдвиго-отрывных микротрещин также не может описать всю совокупность наблюдаемых эффектов.
Проведены также эксперименты по проверке гипотез моделирования очага формирования макротрещины отрыва мягким, в том числе дилатирующим, включениями.
Рис. 5. Реверсивный характер деформирования образцов гранита в предразрушающей области нагружения при сжатии: а - схема эксперимента, б - характер деформаций. Штриховая линия показывает величину деформаций, соответствующую гипотезе «упругого восстановления»
Гипотеза мягкого включения
При моделировании возникающей в образце при сильном сжатии с дв иго-отрывной макротрещины учтена форма очага разрушения, которую можно представить в виде эллипса или, приближенно, круга. Деформирование мягкого круглого включения можно смоделировать отверстием в полуплоскости, нагруженной по границе равномерно распределенной нагрузкой. Это предельный случай "мягкого" включения, когда модуль упругости последнего равен нулю. Смещения верхней точки контура отверстия существенно превышают смещения точек монолитного образца, поэтому при образовании «мягкого» включения в прилегающих к нему по высоте сжатых участках возможно возникновение деформаций относительного растяжения.
С целью проверки гипотезы проведен эксперимент по высверливанию круглого отверстия в предварительно нагруженном образце горных пород. Вид образца после испытаний представлен на рис. 6. Результаты измерения деформаций представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты лабораторных экспериментальных исследований деформирования горных пород вокруг очагов макроразрушения в рамках модели «мягкого включения»
Действие Датчики на горизонтальной оси Датчики на вертикальной оси
II 1 5 И -1-2 II з -1-6 II 7
1. Нагрузка -12,0 532,0 -15,6 124 -74,3 487,6 -48,3 606,0
2.1 =5 мин -11,3 529,7 -15,0 126 -73,7 462,3 -49,0 606,3
3.1=10 мин -12,0 527,0 -15,6 130 -74,3 460,6 -50,3 606,0
4. Сверление малого отверстия <1=8 мм, 1=15 мм -11,0 529,7 -9,3 132 -69,7 460,3 -48,3 603,0
5. То же 1=25 мм -7,3 524,7 -9,3 123 -70,0 460,6 -45,0 602,7
6. Сверление большого отверстия с1=22 мм 1=8 мм -13,3 591,7 -21,3 119 -64,3 445,0 -37,3 574,3
7. То же 1=25 мм -23,3 739,3 -70,3 209 -23,3 401,0 -30,7 485,0
8.1 =3 мин -94,7 753,3 -68,0 209 -23,0 412,0 -30,3 472,0
9.1 =5 мин -101 757,7 -66,3 208 -23,0 414,3 -31,7 468,7
Из таблицы 1 хорошо виден реверсивный характер деформаций датчиков после сверления отверстия, расположенных по вертикальной оси образца (датчики 6 и 7 табл. 1), причем соотношение компонент реверсивных деформаций в продольном и поперечном направлении соответствует рис. 1. Однако на датчиках, расположенных по горизонтальной оси образца, реверсивные деформации отсутствуют. Таким образом, реверсивные деформации "сбоку" от очага в рамках гипотезы "мягкого включения" объяснены быть не могут.
Рис. 6. Образец после испытаний
Поэтому гипотеза мягкого включения не позволяет в полной мере объяснить все имеющиеся экспериментально установленные результаты. Рассмотрим случай, когда появление реверсивных деформаций "сбоку" от очага (по периметру образца) все-таки могут иметь место в рамках рассматриваемой гипотезы.
Гипотеза мягкого дилатирующего включения с распирающим действием сдвиговых микродефектов Проанализируем гипотезу мягкого дилатирующего включения, рассмотренную в связи с моделированием очагов землетрясений. Оговоримся только, что гипотеза дилатирующего включения подразумевает учет распирающего действия сдвиго-отрывных микродефектов, объединенных в очаг разрушения.
Легко понять, что распирающее действие сдвиговых микродефектов при их взаимодействии хаотично и поэтому может быть смоделировано равномерно распределенной по границе очага нагрузкой. Именно учет характера распределения обусловленной дилатансионными процессами нагрузки позволяет воспроизвести экспериментально не только качественно, но и количественно реверсивный характер деформационных аномалий в образце "сбоку" от очага.
Проведем здесь также эксперимент, воспользовавшись просверленным на предыдущем этапе образцом. Распирающее действие сдвиговых микродефектов в очаге макроразрушения будем моделировать деревянной пробкой, которая увеличивается в объеме за счет внедрения в нее в центральной части жесткого металлического стержня. Схему измерения оставим прежней (см. табл.1).
Результаты эксперимента приведены в таблице 2. Хорошо видно, что реверсивные деформации типа показанных на рис. 1 имеют место на горизонтальной оси «сбоку» от «очага». Однако на вертикальной оси "сверху" и "снизу" "очага" реверсивных деформаций не наблюдается: здесь усиливаются поперечные деформации растяжения и вертикальные деформации сжатия "обычного" знака. Поэтому и гипотеза дилатирующего включения с распирающим действием сдвиговых микродефектов не в состоянии объяснить всю совокупность экспериментально наблюдаемых явлений.
Таблица 2.
Результаты лабораторных экспериментальных исследований деформирования горных пород вокруг очагов макроразрушения в рамках модели «дилатирующего включения с распирающим действием сдвиговых микродефектов»
Действие Датчики на горизонтальной оси Датчики на вертикальной оси
1 5 4 ±2 3 -1-6 7
1. Нагрузка -34 482 -76 334 -74 283 -88 316
2. Начальный
Распор -14 379 -34 213 -226 342 -262 352
3. Внедрение
стержня на 15 мм -12 372 -32 206 -227 343 -264 354
4. Внедрение
стержня на 25 мм -9 367 -28 202 -234 347 -269 358
5. Внедрение
стержня на 35 мм -6 366 -24 194 -242 349 -286 364
Подводя итог исследованию возможных механизмов появления в сильно сжатых горных породах периодических осцилляционных
мезоструктур разрушения, необходимо заметить, что ни одна из существующих гипотез, основанных на классических представлениях механики сплошной среды, не объясняет все имеющиеся в этой области экспериментальные факты. Рассмотрение периодических мезоструктур разрушения с позиций классических представлений механики оказывается невозможным. Возникает необходимость привлечения к описанию таких структур новых представлений физической мезомеханики.
Моделирование сильно сжатой горной породы, где в общем случае не выполняются условия совместности деформаций, далекой от состояния термодинамического равновесия диссипативной системой хорошо зарекомендовало себя при описании явления зонального разрушения массива вокруг подземных выработок. Поэтому рассмотрена модель работы Гузев М.А., Макаров В.В., Ушаков A.A. «Моделирование упругого поведения образцов сжатых горных пород в предразрушающей области», ФТПРПИ, 2005, №6, с.3-13 и проведен сравнительный анализ результатов решения задачи о сильно сжатом образце горной породы с данными эксперимента.
Деформационные аномалии реверсивного типа появляются в образце горной породы при достижении нагрузкой Р некоторых критических значений Рт. Если Р меньше , то напряженно-деформированное состояние образца описывается законом теории упругости
где Е - модуль Юнга, у - коэффициент Пуассона.
Кроме того, при Р меньше Рт уравнения равновесия для образца горной породы в цилиндрических координатах имеют вид:
(1)
дг г д(р dz г
d<Jrm 1 der öcr 2 <т,
r<P | W | уг |__
дг r dq> dz г
дг г д<р dz г
а граничные условия задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндрического образца при одноосном сжатии записываются как
°в\г=±н=-р* <^и±/,=о,
^1^=0, <УГ(р | г=д = 0, <тг1и=0. (3)
Из экспериментальных исследований следует (см. рис.1), что аномальные реверсивные деформации в области нагружения, где Р больше Рт. (обозначим эти деформации Еу), совпадают по порядку
величин с докритическими деформациями е^ в области Р меньше Р.. Это позволяет связать напряжения ГГ., соответствующие деформациям Еу, с Ер. линейными соотношениями, аналогичными по своей алгебраической структуре закону Гука для условий области, где Р меньше Рл:
п*--тЬ{Е>'+^Е«5»\ (4)
где Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона Образование периодических мезотрещинных структур влечет за собой появление некоторого нового поля напряжений 7^., которое в
общем случае зависит от типа рассматриваемых трещинных дефектов. Поскольку образец находится в равновесии, то силы, определяемые полем 7^., должно быть скомпенсированы, поэтому часто они называются самоуравновешенными. В качестве компенсирующего поля выступает ГГ . При этом полное поле напряжений внутри образца равно:
2..= П.. +Т... (5)
9 V V 4 '
Оно удовлетворяет уравнениям равновесия (2) и краевым
условиям (3). В свою очередь для полей П» и 7^ можно записать
соответствующие уравнения равновесия:
дП. дТ —^- = 0,-^ = 0 (6) дху дх}.
и граничные условия:
П,п\дУ=-Тм\5У. (7)
Причем
аг
Г,= (8)
где е{р1 - символ Леви — Чивиты, постоянные <т0, / имеют размерность напряжения и длины соответственно. Конкретный вид функций Гят р зависит от типа дефектной структуры, при этом
необходимо анализировать предысторию образования дефектов и диссипативные процессы в материале.
Постановка задачи для уравнений (5) состоит в построении такого упругого поля IX , чтобы соответствующие ему деформации
совпадали с измеренными значениями на границе в дискретном наборе точек.
Поле упругих напряжений ГГ и деформаций можно связать линейными соотношениями
П у=А(Е9+ВЕа8м) (9)
с некоторыми коэффициентами А, В.
Без ограничения общности параметры А, В можно выбрать как в теории упругости:
А = = 2//, В = —(10) 1 + у 1-2 V
где Ц - модуль сдвига.
Так как уравнения (5) являются линейными, то представим поле в виде суммы классического решения ст. и некоторого поля я^.:
П, =*•, + *,. (11)
Поскольку решение строится в предразрушающей области, то уровень нагрузки Р =Рт является отсчетным, поэтому в формуле (3) для следует полагать 6Р = Р—РШ вместо Рт. Дополнительно потребуем, чтобы первый инвариант тг^ обращался в нуль. Тогда тензор связан с соответствующим тензором деформации
соотношением
Г да, да ^
Л.. = ¡Л -+-
^ J
20
где а. - компоненты вектора перемещений, отсчитываемые от уровня нагрузки Р =Рт.
Компоненты а. (7 = 1,2,3) определяются из уравнений равновесия, которые в цилиндрической системе координат имеют вид:
а 2 дат ат 2 да
^г-Ч-4ir = 0> + = Да =0. (13)
г г д(р г г д(р
После решения системы (12) в виде рядов Фурье по тригонометрическим функциям и проведения численных расчетов для условий эксперимента при значениях параметров модели: V — 0,26,
£ = 1,7*104 МП а, х = 0,5-п t h - 5см, R-2,5см, получаем значения коэффициентов рядов:
=-417-10"6, ¿4™ = -3778-Ю^6,
A™ =-33560-10"6, Д(!2)=-1167-Ю"6, =289.10"6, В^ =-620'10~б,
В™= 1239-Ю-6, ^i^lMS-lO"6. (14)
Вычисляя теперь величины деформаций, соответствующие рис.1, и отображая их в сравнении с данными этого эксперимента в табл.3, можем видеть, что при полном качественном совпадении результатов аналитических и экспериментальных исследований максимальное количественное расхождение значений продольных деформаций не превышает 19%.
Таким образом, удовлетворительные результаты математического моделирования позволяют установить механизм явления осцилляционного периодического деформирования сильно сжатых образцов горных пород, который заключается в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер.
Таблица.3.
Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований
Параметр Величина продольных деформаций в местах расположения датчиков (рис. 1а)
4-6 5-7 2-8 3-9
Эксп. Теор. Эксп. Теор. Эксп. Теор. Эксп. Теор.
Продольные деформации, 10"6 -1067 -899 704 704 -899 -899 679 679
Отклонение, % 18,7 0,0 0,0 0,0
Разработан метод прогнозирования разрушения горных пород, основанный на деформационных предвестниках разрушения, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения деформационных аномалий образца, что обусловлено началом развития макроразрыва (рис.8).
Рис. 8. и-образный (1) и Б-образный (2) характер кривых объемных деформаций сильно сжатых образцов горных пород
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи геомеханики по установлению закономерностей периодического осцилляционного деформирования образцов сильно сжатых горных пород, что имеет важное значение для прогнозирования геодинамических явлений.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Исследованы закономерности деформирования образцов сильно сжатых горных пород. Установлен периодический характер развития деформационных реверсивных аномалий в окружном направлении образцов горных пород в предразрушающей области нагружения.
2. Экспериментально установлено явление периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающееся в том, что в образце горных пород, как в осевом, так и в окружном направлении формируются чередующиеся области положительных и отрицательных приращений объемных деформаций, что является следствием формирования в образце периодической мезотрещинной структуры.
3. Проведена экспериментальная проверка основных гипотез реверсивного деформирования образцов горных пород: гипотезы упругого восстановления, гипотезы распирающего действия сдвиговых микродефектов, гипотез мягкого и мягкого дилатирующего включений. Доказано, что все гипотезы, основывающаяся на представлениях классической механики сплошной среды, недостаточно полно описывают всю совокупность наблюдаемых экспериментально закономерностей.
4. Разработана математическая модель явления осцилляционного периодического деформирования образцов сильно сжатых горных пород, которая основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды, распределение напряжений в которой обусловлено периодическим характером развития мезотрещинной структуры.
5. Численно исследовано решение задачи о напряженном состоянии образца горных пород в состоянии сильного сжатия, нагруженного в торцевых частях осевой нормально действующей
нагрузкой, и установлено удовлетворительное совпадение результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные отклонения не превышают 19 %).
6. Установлен механизм формирования периодической мезотрещинной структуры образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых и тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер.
7. Разработан метод прогнозирования разрушения образца горных пород, основанный на деформационных предвестниках разрушения, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения деформационных аномалий образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Макаров В.В., Опанасюк A.A. Исследование деформационных предвестников разрушения горных пород. "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001, с. 163-164
2. Гузев М.А., Макаров В.В., Парошин A.A., Опанасюк A.A. Модельные представления зонального деформирования и разрушения породного массива вокруг подземных выработок. "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001, с. 138-144
3. Геомеханические закономерности зонального деформирования и разрушения горных пород вокруг подземных выработок/ В.В.Макаров, М.АГузев, A.A.Опанасюк и др.// «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Труды Первой Международной научной конференции, Владивосток: ДВГТУ, 2001, с.132-136
4. Явление зонального деформирования и разрушения горных пород вокруг подземных выработок и его математическая модель/ В.В.Макаров, М.Н.Кива, А.А.Опанасюк и др. // Труды международной научно-практ. конф. "Тоннельное строит. России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы", Москва, 28-31 октября 2002 г., М: РТА, 2002, с.448-450.
5. Research of Deformational Rocks Failure Precursors// V.Makarov, A.Opanasjuk, D.Cheburov and Ma Ry/ First Int. Symp. On Trends & Forecast Soc. Dev. Asia-Pacific Region, Nov.25-26, 2003, Vladivostok, Russia. - Pacific Science Review, Special Issue: FESTU-KNU, 2003, pp. 8586
6. О периодическом характере деформационных предвестников разрушения горных пород /Макаров В.В., Опанасюк А.А., Чебуров Д.С., Ма Ри //"Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004, с.511-512
7. Ensuring the safety of mining at the conditions of grate depths/ V.V.Makarov, Li Gir The, L.S.Ksendzenko, A.A.Opanasiuk etc.// Proc. Int. Conf. "Problems of ecology, life, safety and rational land usage in Russian Far East and countries of Asia-Pacific Region", Vladivostok: FENTU, 2006, pp. 170-179
8. Макаров B.B., Гузев M.A., Опанасюк А.А Исследование деформационных предвестников разрушения образцов горных пород и их математическое моделирование // «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Труды Второй Международной научной конференции, Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006, с. 5 8-61
9. Обеспечение безопасности горных выработок в условиях больших глубин/ В.В.Макаров, Л.С.Ксендзенко, В.М.Сапелкина, А.А.Опанасюк и др.// Известия ТулГУ. Серия Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып.4. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006, с. 230-237
Опанасюк Александр Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРЕДРАЗРУШАЮЩЕЙ ОБЛАСТИ НАГРУЖЕНИЯ
Автореферат
Подписано в печать 15.11.06. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 24/11 Типография ИП Лобанов, Владивосток
Содержание диссертации, кандидата технических наук, Опанасюк, Александр Александрович
Введение.
Глава 1 Состояние изученности вопроса о закономерностях деформирования образцов сильно сжатых горных пород и постановка задач исследований.
1.1. Дилатансия геоматериалов и формирование периодических мезотрещинных структур.
1.1.1. Дилатансия геоматериалов и ее закономерности.
1.1.2. Закономерности развития микротрещин в образце горной породы.
1.1.3. Аналитические исследования развития микротрещин в сильно сжатых горных породах.
1.1.4. Деформационные аномалии, обусловленные образованием мезотрещинных структур при сильным сжатием.
1.1.5. Гипотезы, объясняющие механизмы деформационных аномалий образцов горных пород.
1.2. Модели очага геодинамических явлений.
1.3. Теоретические исследования деформирования и разрушения сильно сжатых массивов и образцов горных пород.
1.3.1. Математические модели массива горных пород в условиях больших глубин.
1.3.2. Математические модели сильно сжатых образцов горных пород 70 Выводы.
Глава 2 Экспериментальное исследование закономерностей деформирования образцов горных пород в иредразрушающей области нагружения.
2.1. Установление явления периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород по их периметру при одноосном сжатии.
2.1.1. Гипотеза периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород по их периметру при одноосном сжатии
2.1.2. Разработка методики исследования разнознакового (периодического) приращения деформаций по периметру образцов горных пород при одноосном сжатии в условиях действия нредразрушающих нагрузок.
2.1.3. Результаты исследований.
2.2. Установление явления периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород по их периметру и высоте при одноосном сжатии.
2.2.1. Гипотеза и методика исследований периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород но их периметру и высоте прии одноосном сжатии.
2.2.2. Результаты исследований.
Выводы.
Глава 3 Критический анализ гипотез формирования периодической осцилляционной мезотрещинной дефектной структуры сильно сжатых образцов горных пород, основанных на классических представлениях механики.
3.1. 11есостоятельность гипотезы упругого восстановления материала около трещины, как причины реверсивных деформаций сильно сжатых горных пород.
3.2. Гипотезы моделирования очага формирования макротрещин отрыва мягким делатирующим включением для установления механизма формирования периодической мезотрещинной структуры сильно сжатых образцов горных пород и их несостоятельность.
Выводы.
Глава 4 Разработка математической модели, механизма явления периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых образцов горных пород и метода прогноза их разрушения по деформационным предвестникам.
4.1. Разработка математической модели явления периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения.
4.1.1. Поле самоуравновешенных напряжений.
4.1.2. Задача об образце в поле сжимающих напряжений.
4.1.3. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния сильно сжатого образца горной породы.
4.2. Разработка метода прогнозирования разрушения образцов горных пород по деформационным предвестникам.
Выводы.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения"
Актуальность. Деформирование горных пород в предразрушающей области нагружения зачастую приобретает аномальный реверсивный характер, что может быть использовано в качестве предвестника геодинамических явлений. До настоящего времени основным деформационным предвестником разрушения было принято считать явление дилатансии, заключающееся в увеличении объема горной породы при сжатии. Однако дилатансия может быть рассмотрена только как долгосрочный предвестник геодинамического явления.
Выявление среднесрочных и краткосрочных предвестников геодинамических явлений требует проведения исследований закономерностей деформирования горных пород в состоянии предразрушения. Эффект аномального реверсивного деформирования, а также известное явление разнознакового деформирования породы по высоте образца в состоянии сильного сжатия являются первыми результатами такой работы. Однако исследования закономерностей реверсивного деформирования образцов сильно сжатых горных пород по периметру образца не проводилось. Требует уточнения также механизм аномального деформирования образцов горных пород в состоянии сильного сжатия. Не была разработана и математическая модель, адекватно описывающая состояние сильно сжатого образца горной породы.
Исследование закономерностей деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения и разработка на этой основе механизма, математической модели и метода прогноза разрушения является актуальной задачей геомеханики.
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), а также по программе Министерства Образования РФ (тема ГБ53.1.6.02) и совместного интеграционного проекта ДВО РАН с УрО РАН (ДВО РАН 06-11-УО-01-001).
Цель работы заключается в установлении закономерностей развития деформационных аномалий в образцах горных пород в предразрушающей области нагружения и разработке на этой основе механизма, математической модели и метода прогноза разрушения горных пород.
Основная идея работы заключается в экспериментальном исследовании закономерностей деформирования образцов сильно сжатых горных пород и применении методов механики дефектных сред для установления механизма наблюдающихся здесь явлений как теоретической основы метода прогноза разрушения горных пород.
Задачи исследований заключаются в экспериментальном исследовании закономерностей деформирования горных пород в предразрушающей области нагружения; экспериментальной проверке основных гипотез реверсивных деформаций; разработке математической модели образца горных пород в состоянии предразрушения; разработке метода прогнозирования разрушения горных пород, основанного на деформационных предвестниках.
Методы исследований включают лабораторные экспериментальные методы, аналитические методы механики дефектных сред.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
1. Образец горной породы в состоянии предразрушения деформируется с образованием периодических мезотрещинных структур.
2. Математическая модель явления периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых образцов горных пород основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды, распределение напряжений в которой обусловлено периодическим характером развития мезотрещинной структуры.
3. Механизм явления периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых образцов горных пород заключается в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов -образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер.
4. Прогнозирование разрушения образцов горных пород основывается на использовании в качестве долгосрочного предвестника разрушения порога дилатансии, в качестве среднесрочного предвестника разрушения горной породы -момент формирования периодической мезотрещинной структуры, а в качестве краткосрочного предвестник разрушения - момент начала перераспределения деформационных реверсивных деформаций образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем: экспериментально установлено явление периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающееся в том, что в образце горных пород, как в осевом, так и в окружном направлении формируются чередующиеся области положительных и отрицательных приращений объемных деформаций, что является следствием формирования в образце периодической мезотрещинной структуры; разработана математическая модель явления периодического осцилляционного деформирования образцов сильно сжатых горных пород, которая основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды; численно исследовано решение задачи о напряженном состоянии образца горных пород в состоянии сильного сжатия, нагруженного в торцевых частях осевой нормально действующей нагрузкой, и установлено удовлетворительное совпадение результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные отклонения не превышают 19 %); установлен механизм формирования периодической мезотрещинной структуры образцов горных пород в предразрушакнцей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер; разработан метод прогнозирования разрушения образцов горных пород по деформационным предвестникам, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения реверсивных деформаций образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Достоверность результатов исследований обеспечивается повторяемостью экспериментально установленных деформационных эффектов в различных лабораториях России и Китая, а также удовлетворительным совпадением результатов экспериментальных и аналитических исследований.
Научное значение работы заключается в установлении новых закономерностей периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых горных пород, разработке математической модели и механизма явления периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в состоянии предразрушения при одноосном сжатии.
Практическое значение работы состоит в разработке метода прогноза геодинамических явлений, включающего долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный деформационные предвестники.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (2002, 2004, 2006), Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск, 2003г.), Международной конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (г. Тула, 2004 г.), Международном симпозиуме «Geological Engineering and Geological Hazards» (г. Чан Чунь, КНР, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, и заключения. Содержит 164 страницы текста, 3 таблицы, 67 рисунков, список литературы из 153 наименований.
Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Опанасюк, Александр Александрович
выводы
1. Разработана математическая модель явления периодического осцилляционного деформирования образцов сильно сжатых горных пород, которая основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды, распределение напряжений в которой обусловлено периодическим характером развития мезотрещинной структуры.
2. Численно исследовано решение задачи о напряженном состоянии образца горных пород в состоянии сильного сжатия, нагруженного в торцевых частях осевой нормально действующей нагрузкой, и установлено удовлетворительное совпадение результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные отклонения менее 19 %).
3. Установлен механизм формирования периодической мезотрещинной структуры образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации имеют реверсивный характер.
4. Разработан метод прогнозирования разрушения образца горных пород, основанный на деформационных предвестниках разрушения, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения деформационных аномалий образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи геомеханики по установлению закономерностей периодического осцилляционного деформирования образцов сильно сжатых горных пород, что имеет важное значение для прогнозирования геодинамических явлений.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Исследованы закономерности деформирования образцов сильно сжатых горных пород. Установлен периодический характер развития деформационных реверсивных аномалий в окружном направлении образцов горных пород в предразрушающей области нагружения.
2. Экспериментально установлено явление периодического осцилляционного деформирования образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающееся в том, что в образце горных пород, как в осевом, так и в окружном направлении формируются чередующиеся области положительных и отрицательных приращений объемных деформаций, что является следствием формирования в образце периодической мезотрещинной структуры.
3. Проведена экспериментальная проверка основных гипотез реверсивного деформирования образцов горных пород: гипотезы упругого восстановления, гипотезы распирающего действия сдвиговых микродефектов, гипотез мягкого и мягкого дилатирующего включений. Доказано, что все гипотезы, основывающаяся на представлениях классической механики сплошной среды, недостаточно полно описывают всю совокупность наблюдаемых экспериментально закономерностей.
4. Разработана математическая модель явления осцилляционного периодического деформирования образцов сильно сжатых горных пород, которая основывается на представлении материала породы как дефектной, далекой от состояния термодинамического равновесия среды, распределение напряжений в которой обусловлено периодическим характером развития мезотрещинной структуры.
5. Численно исследовано решение задачи о напряженном состоянии образца горных пород в состоянии сильного сжатия, нагруженного в торцевых частях осевой нормально действующей нагрузкой, и установлено удовлетворительное совпадение результатов аналитических и экспериментальных исследований (максимальные отклонения не превышают 19%).
6. Установлен механизм формирования периодической мезотрещинной структуры образцов горных пород в предразрушающей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдвиговым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых тангенциальных напряжений очагов концентрации взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер.
7. Разработан метод прогнозирования разрушения образца горных пород, основанный на деформационных предвестниках разрушения, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатансии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения деформационных аномалий образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Макаров В.В., Опанасюк А.А. Исследование деформационных предвестников разрушения горных пород. "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001, с. 163-164
2. Гузев М.А., Макаров В.В., Парошин А.А., Опанасюк А.А. Модельные представления зонального деформирования и разрушения породного массива вокруг подземных выработок. "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001, с. 138-144
3. Геомеханические закономерности зонального деформирования и разрушения горных пород вокруг подземных выработок/ В.В.Макаров, М.А.Гузев, А.А.Опанасюк и др.// «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Труды Первой Международной научной конференции, Владивосток: ДВГТУ, 2001, с.132-136
4. Явление зонального деформирования и разрушения горных пород вокруг подземных выработок и его математическая модель/ В.В.Макаров, М.Н.Кива, А.А.Опанасюк и др. // Труды международной научно-практ. конф. "Тоннельное строит. России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы", Москва, 28-31 октября 2002 г., М: РТА, 2002, с.448-450.
5. Research of Deformational Rocks Failure Precursors// V.Makarov, A.Opanasjuk, D.Cheburov and Ma Ry/ First Int. Symp. On Trends & Forecast Soc. Dev. Asia-Pacific Region, Nov.25-26, 2003, Vladivostok, Russia. - Pacific Science Review, Special Issue: FESTU-KNU, 2003, pp.85-86
6. О периодическом характере деформационных предвестников разрушения горных пород /Макаров В.В., Опанасюк А.А., Чебуров Д.С., Ма Ри //"Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАИ, 2004, с.511-512
7. Ensuring the safety of mining at the conditions of grate depths/ V.V.Makarov, Li Gir The, L.S.Ksendzenko, A.A.Opanasiuk etc.// Proc. Int. Conf.
Problems of ecology, life, safety and rational land usage in Russian Far East and countries of Asia-Pacific Region", Vladivostok: FENTU, 2006, pp. 170-179
8. Макаров B.B., Гузев M.A., Опанасюк A.A. Исследование деформационных предвестников разрушения образцов горных пород и их математическое моделирование // «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Труды Второй Международной научной конференции, Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006, с.58-61
9. Обеспечение безопасности горных выработок в условиях больших глубин/ В.В.Макаров, Л.С.Ксендзенко, В.М.Сапелкина, А.А.Опанасюк и др.// Известия ТулГУ. Серия Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып.4. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006, с. 230-237
Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Опанасюк, Александр Александрович, Владивосток
1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х томах/ Под ред. В.Е.Панина. Новосибирск: Наука, 1995. -297 с. и 320 с.
2. Ставрогин А. Н. Исследование предельных состояний и деформации горных пород/Физика Земли, 1969, №12, СС. 3-17
3. Одинцев В. Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород.- М.: ИПКОН РАН, 1996. 166 с.
4. Томашевская И. С., Хамидуллин Я. Н. Предвестники разрушения образцов горных пород //Изв. АН СССР. Физика Земли.-1972.-№5, С. 12-20
5. Стаховский И. Р. Деформационные предвестники разрушения крупномасштабных образцов горных пород // Известия АН СССР. Физика Земли. 1983.-№10.-С. 90-94
6. Стаховский И. Р. Трещинообразование и поверхностные деформации в зоне деформирующегося сдвигового разрыва в образце горной породы // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988.- №5.- С. 88-94
7. Соболев Г. А. Исследование разрушения барьеров применительно к проблеме прогноза землетрясений // В сб.: Физические основы прогнозирования разрушения горных пород при землетрясениях.- М.: Наука, 1987.- 128 с.
8. Соболев Г. А., Кольцов А. В. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений / Под ред. А.А.Садовского. М.: Наука, 1988.-208 с.
9. Соболев Г. А. Основы прогноза землетрясений.- М.: Наука, 1993.313 с.
10. Жуков B.C., Кузьмин Ю.О., Салов Б.Г. Деформации и трещинообразование в образцах горных пород при длительном воздействии постоянных сжимающих напряжений/Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. -М.: Наука, 1991, с. 156-162
11. Тажибаев К. Т. Деформация и разрушение горных пород.- Фрунзе: Илим, 1986.- 108 с.
12. Айтматов И. Т., Тажибаев К. Т. Проявление остаточных напряжений в деформации горных пород при их нагрузке // Физика и механика разрушения горных пород. Фрунзе: Илим. - 1987. - с. 134-164
13. Тажибаев К. Т. Условия динамического разрушения горных пород и причины горных ударов. Фрунзе, Илим, 1989. - 180 с.
14. Тамуж В. П., Куксенко В. С. Микромеханика разрушения полимерных материалов.- Рига: Зинатие, 1979. 294 с.
15. Лексовский А. М., Усмолов Г. К., Нарзулаев Г. К. Микротрещины, повреждаемость и разрушение композиционных материалов//Физика и механика разрушения композиц. матер. -Л., 1986. С. 69-88
16. Характер разрушения и фильтрационных свойств пористой газонасыщенной среды после проведения камуфлетного взрыва /А.Н.Бовт,
17. A.В.Васильев, Е.Е. Левецкий и др.//ЖПМТФ, 1987.-№2.-С. 130-138
18. Раис Дж. Механика очага землетрясения. Под ред.
19. B.Н.Николаевского, М.: Мир, 1982. - 217 с.
20. Основы физики очага и предвестники землетрясений/ В.И.Мячкин, Б.В.Костров, Г.А.Соболев и др. //Физика очага землетрясения. М.: Паука, 1975, с. 6-29
21. Ружич В.В., Хилько С.Д. Анализ моделей очагов землетрясений с геологических позиций // Физ. основы прогн. разр. горн, пород при землетр. -М.: Наука, 1987, с. 113-122
22. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977, 359 с.
23. Лексовский А. М., Усмолов Г. К., Нарзулаев Г. К. Микротрещины, повреждаемость и разрушение композиционных материалов//Физика и механика разрушения композиц. матер. -Л., 1986. С. 69-88
24. Добровольский И.П. О модели подготовки землетрясения // Известия АН СССР, Физика Земли, 1980, №11, с. 23-31
25. Прочность и деформируемость горных пород / Ю. М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г. В. Михеев и др.- М.: Недра, 1979. 240 с.
26. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. - 224 с.
27. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985. - 252 с.
28. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1982.-301 с.
29. Сизов И. А. Изменение во времени напряженно-деформированного состояния вокруг подземной выработки в твердой среде с неоднородностями// В сб.: Аналит. и числ. методы исследования в механике горных пород. Новосибирск: ИГД, 1986. - С. 32-35
30. Ревуженко А. Ф. О напряженно-деформированном состоянии разупрочняющегося массива вокруг горной выработки/УФТПРПИ, 1978.-№2, С. 10-20
31. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М.: Недра, 1984.-232 с.
32. Ревуженко А.Ф. Горная порода среда с внутренними источниками и стоками энергии. Сообщения 1, 2, 3 // ФТПРПИ. - 1991. - №5. - С. 20-27, 1990.-№4.-С. 14-21,1990.-№5.-С. 9-15
33. Ревуженко А. Ф., Лавриков С. В. Модель и краевые задачи для горного массива как среды с внутренними источниками и стоками энергии // Тезисы докл. 10 Между нар. конф. мех. горн, пород. М., 1993. - С. 29-30
34. Ревуженко А.Ф. Функции со структурой математические объекты для описания пластической деформации твердых тел // Известия вузов. Физика. - 1995.-№11.-С. 70-85
35. Кадич А., Эделен Д. Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций М.: Мир, 1987. - 168 с.
36. Макаров В.В., Гузев М.А. Механизм зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок, "Геодинамикаи напр. сост. недр Земли", Новосибирск, ИГД СО РАН, 1999, с. 120-125
37. Гузев М.А., Парошин А.А. Неевклидовая модель зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок// ПМТФ, 2000, №3, с. 181-195
38. Косевич А. М. Теория кристаллической решетки (Физическая механика кристаллов). Харьков, 1988.-304 с.
39. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургиздат, 1984.-280 с.
40. Ханнанов Ш. X. Коллективные эффекты в ансамбле взаимодействующих микротрещин// Физика мет. и металловед. 1990. - т. 69.-№4.-С. 30-38
41. Владимиров В. И. Основы физики разрушения твердых тел // В сб.: Физ. основы прогнозир. разруш. горн, пород при землетрясениях. М., 1987. -С. 12-26
42. Владимиров В. И., Добрина Е. А., Перцев Н. А. Коллективные эффекты упругого взаимодействия в ансамблях микротрещин// Физ.-техн. ин-т А11 СССР. Препринт. 1987. - № 1120. - С. 1 -20
43. Гузев М.А., Макаров В.В., Ушаков А.А. «Моделирование упругого поведения образцов сжатых горных пород в предразрушающей области», ФТПРПИ, 2005, №6, с.3-13
44. Макаров В.В., Николайчук Н.А., Воронцова Н.А. Деформирование и разрушение горных пород в предельном и запредельном состояниях. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. 142 с.
45. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994. -382 с.
46. Гутман С.Г. К расчету тоннелей. Полуплоскость, ослабленная круговым отверстием под равномерным давлением. Известия ВНИИГ, 1939, т. 25, с. 148-168
47. Гузев М.А., Мясников В.П., Ушаков А.А. Поля самоуравновешенных напряжений в сплошной среде. ПМТФ. 2004. Т. 45, № 4. С. 121 130.
48. Гузев М.А., Макаров В.В., Парошин А.А., Опанасюк А.А. Модельные представления зонального деформирования и разрушения породного массива вокруг подземных выработок. "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001, с. 138-144
49. Обеспечение безопасности горных выработок в условиях больших глубин/ В.В.Макаров, Л.С.Ксендзенко, В.М.Сапелкина, А.А.Опанасюк и др.// Известия ТулГУ. Серия Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып.4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006, с. 230-237
50. Работнов Ю. Н. Механика деформированного твердого тела М.: «Наука», 1988, с.
51. Гузев М.А., Мясников В.П. Геометрическая модель внутренних самоуравновешенных напряжений в твердых телах // Докл. РАН, 2001, Т. 38, №5, С. 627-629
52. Гузев М.А., Мясников В.П. Термомеханическая модель упругопластического материала с дефектами // Известия АН. Механика твердого тела, 1998, № 4, С. 156- 172
53. Гузев М.А., Мясников В.П. Геометрическая модель дефектной структуры упруго пластической сплошной среды, ПМТФ, 1999, Т. 40, № 2, С. 163-173
54. Опанасюк А.А., Макаров В.В. Способ определения напряженно-деформированного состояния массива материала// Заявка на выдачу патента Российской Федерации на изобретение, №2006135046 от 03.10.2006
55. Пежина П. Моделирование закритического поведения и разрушения диееипативного твердого тела /Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы, 1984, Т. 106, №4, С. 107-117
56. Патент RU № 2234073, Кл. G01N3/00,2004
57. Крупенников Г.А., Филатов Н.А., Амусин Б.З. и др. Распределение напряжений в горных массивах. М., Недра, 1972
58. Руководство по применению метода буровых скважин для определения напряжении в осадочных горных породах, АН СССР, Сибирское отделение института горного дела, Новосибирск, 1969
59. Reynolds О. On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact.- Philos. Mag., 1885, ser.5, v.20, №127
60. Mead W. J. The geologic role of dilatancy, J. Geol., 1925, №33, pp. 685698
61. Bridgman P. Volume changes in the plastic stages of simple compression, J. Appl. Phis., 1949, №20, pp. 1241-1251
62. Brace W.F., Paulding B.W., Scholz C. Dilatancy in fracture of crystalline rocks, J. Geophys. Research, 1966, v.71, №16, pp. 3930-3953
63. H.B. Li, J. Zhao, T.J. Li Micromechanical modelling of the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads// International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2000, №37, pp. 923-935
64. Janach W. The role of bulking in brittle failure of rock under rapid compression. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 1976, v.13, pp. 177-86
65. Lankford J. The role of tensile microfracture in the strain rate dependence of the compressive strength of one-grained limestone analogy with strong ceramics. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1981; v. 18, pp. 173-175
66. Olsson W.A. The compressive strength of tuff as a function of strain rate from 10~6 to 103/s. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1991; v.8, № 1, pp. 115-118.
67. Lajtai E.Z, Scott Duncan E.J, Carter B.J. The effect of strain rate on rock strength. Rock Mech. Rock Eng., 1991; v.24, pp. 99-109
68. Yang C.H, Li T.J. The strain rate-dependent mechanical properties of marble and its constitutive relation. In: International Conference on Computational Methods in Structural and Geotechnical Engineering, Hong Kong, 1994, pp. 11350-11354
69. Zhao J., Li H.B, Wu M.B, Li T.J. Dynamic uniaxial compression tests on granite. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1999, v.36, №2, 2 pp. 73-77
70. Chong K.P, Hoyt P.M, Smith J.W, Paulsen B.Y. Effects of strain rate on oil shale fracturing. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1980, v. 17, pp. 35-431 I
71. Blanton T.L. Effect of strain rate from 10'" to 10 s" in triaxial compression tests on three rocks. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1981, v.18, pp. 4762
72. Horii H., Nemat-Nasser S. Compression induced micro crack growth in brittle solids: axial splitting and shear failure. J. Geophys. Res., 1985, v.90, pp. 3105-3125
73. Horii H., Nemat-Nasser S. Brittle failure in compression: splitting, faulting, and brittle-ductile transition. Phil Trans Royal Soc London 1986, №319, pp. 337-74
74. Wong T.F. Geometric probability approach to the characterisation and analysis of microcracking in rocks. Mechanics of Materials 1985, №4, pp. 261-276
75. Zhang J.X, Wong T.F, Davis D.M. Micromechanics of pressured induced grain crushing in porous rocks, J. Geophys. Res., 1990, v.95, pp. 341-351
76. Wong T.F. A note on the propagation behaviour of a crack nucleated by a dislocation pile-up, J. Geophys. Res., 1990, v.95, 8639-8646
77. Nemat-Nasser S., Deng H. Strain-rate effect on brittle failure in compression. Acta Metall. Materials, 1994, v.42, №3, 1013-1024
78. Deng H., Nemat-Nasser S. Dynamic damage evolution in brittle solids. Mechanics of Materials, 1992, v. 14, pp. 83-103
79. Ashby M.F, Hallam S.D. The failure of brittle solids containing small cracks under compressive stress state. Acta Metall. Materials, 1986, v.34, 497-510
80. Steif P.S. Crack extension under compressive loads, Eng. Fract. Mech., 1984, v.20, pp.463-473
81. Gambarotta L.G. Modelling dilation and failure of uniaxial compressed brittle materials by micro-weakened solids, Eng. Fract. Mech., 1993, v.46, №3, pp.381-391
82. Ravichandran G., Subhash G. A micromechanical model for high strain rate behavior of ceramic, Int. J. Solids Struct., 1995, v.32, №17/18, 2627-2646
83. Kemeny J.M. A model for non-linear rock deformation under compression due to sub-critical crack growth, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1991, v.28, №6, pp.459-467
84. Ravichandran G, Chen W. Dynamic failure of brittle materials under uniaxial compression. In: Kim K-S, editor. Experiments in micromechanics of failure resistant materials, 1991, pp. 85-90.
85. Nemat-Nasser S, Obata M. A microcrack model of dilatancy in brittle materials, J. Appl. Mech., 1988, v.55, pp.24-35
86. Brace W.F, Bombolakis E.G. A note on brittle crack growth in compression, J. Geophys. Res., 1963, v.68, №3709-3713
87. Nemat-Nasser S, Horii H. Compression-induced nonplanar crack extension with application to splitting, exfoliation and rockburst, J. Geophys. Res. 1982, v.87, pp.6805-6821
88. Freund L.B. Dynamic fracture mechanics. Cambridge Univ. Press, 1990
89. D.A. Lockner, J.D. Byerlee, V. Kuksenko, A. Ponomarev, A. Sidorin Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite// Nature, 1991, v. 350, №7, pp. 39-42
90. Wawersik W.R., Fairhurst C., A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1970, v.7, pp. 561-575
91. Wawersik W. R., Brace W. F. Rock. Mech., 1971, №3, pp. 61-85
92. Fang Z., Harrison J. P. Application of a local degradation model to the analysis of brittle fracture of laboratory scale rock specimens under triaxial conditions/ Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2002, V. 39, № 4, pp. 459-476
93. Jaeger J.C, Cook N.G.W. Fundamentals of rock mechanics, 3rd ed. London: Chapman & Hall, 1979. p. 593.
94. Hoek E., Brown E.T. Underground excavations in rock. Inst. Min. Metall. London: Stephen Austin and Sons, 1980. p. 527
95. Pusch R. Rock mechanics on a geological base. Amsterdam: Elsevier, 1995. p. 498
96. Hudson J.A. Rock mechanics principles in engineering practice. CIRIA: Butterworths, 1989. p. 72
97. ISRM. Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1978; 16137-16140
98. Kovari K., Tisa A., Einstein H.H., Franklin J.A. Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: revised version. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1983, №20, pp. 283-290
99. Paterson M.S. Experimental rock deformation: the brittle field. Berlin: Springer, 1978. p. 254
100. Hallbauer D.K., Wanger H., Cook N.G.W. Some observations concerning the microscopic and mechanical behavior of quartzite specimens in stiff, triaxial compression tests. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci., 1973 v. 10, pp. 713726
101. Olsson W.A. and Peng S.S. Microcrack nucleation in Marble. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1976, v. 13, pp. 53-59
102. Tapponier P., Brace W.F., Development of stress-induced microcracks in Westerly granite. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1976, v. 13, pp. 103-112
103. Tullis J., Yund R.A. Experimental deformation of dry Westerly granite. J Geophys Res., 1977, v.82, v.36, pp. 5705-5718
104. Wong T.F. Micromechanics of faulting in Westerly granite. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1982, v. 19, pp. 49-64
105. Cox S.J.D., Meredith P.G. Microcrack formation and material softening in rock measured by monitoring acoustic emissions. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., 1993 v.30, №1, pp. 11-24
106. Zang A., Wagner C.F., Dresen G. Acoustic emission, microstructure, and damage model of dry and wet sandstone stressed to failure. J. Geophys. Res., 1996, v. 101, B8, pp. 17507-17521
107. Wu X.Y., Baud P., Wong T.F. Micromechanics of compressive failure and spatial of anisotropic damage in Darley Dale sandstone. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. v. 2000, №37, pp. 143-160
108. Ashby M.F., Hallam S.D. The failure of brittle solids containing small cracks under compressive stress states. Acta Metall., 1986, v.34, pp. 497-510
109. Horii H. and Nemat-Nasser S. Brittle failure in compression: splitting, faulting and brittle-ductile transition. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., 1986, A319, pp. 337-374
110. Kemeny J.M, Cook N.G.W. Crack models for the failure of rock under compression. Proceedings of the Second International Conference on Constitutive Laws for Engineering Materials, vol. 2, 1987. pp. 879-887.
111. Steif P.S. Crack extension under compressive loading. Eng. Fract. Mech., 1984, v.20, №3, pp. 463-473.
112. Wang Y.C., Yin X.C., Ke F.J., Xia M.F. and Peng K.Y. Numerical simulation of rock failure and earthquake process on mesoscopic scale. Pure Appl. Geophys., 2000, v. 157, pp. 1905-1928
113. Tang С., Liu H., Lee P.K.K., Tsui Y. and Tham L.G., Numerical studies of the influence of microstructure on rock failure in uniaxial compression. Part I: Effect of heterogeneity. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2000, v.37, pp. 555569
114. Blair S.C. and Cook N.G.W., Analysis of compressive fracture in rock using statistical techniques: part I. a non-linear rule-based model. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1998, v.35, pp. 837-848
115. Fang Z. and Harrison J.P. A mechanical degradation index for rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 2001, v.38, pp. 1193-1199
116. Fang Z. and Harrison J.P. Development of a local degradation approach to the modeling of brittle fracture in heterogeneous rocks. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2002, v.39, pp. 443-457
117. Ayling M.R., Meredith P.G. and Murrell S.A.F., Microcracking during triaxial deformation of porous rocks monitored by changes in rock physical properties. Tectonophys6, 1995, v.245, pp. 205-221
118. Besuelle P., Desrues J. and Raynaud S., Experimental characterization of the localization phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2000, v.37, pp. 1223-1237
119. Fang Z. A local degradation approach to the numerical analysis of brittle fracture in heterogeneous rocks. Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology and Medicine, University of London, 2001. p. 286
120. Mase G.T, Mase G.E. Continuum mechanics for engineers, 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 1999. p. 377
121. Peng S., Johnson A.M. Crack growth and faulting in cylindrical specimens of Chelmsford granite. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1972,№.9,pp.37-86
122. Ramez M.R.H. Fractures and the strength of a sandstone under triaxial compression. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci., 1967, v.4, pp. 257-268
123. Donath F.A., Faill R.T. and Tobin D.G. Deformational model fields in experimentally deformed rock. Geol. Soc. Am. Bull., 1971, v.82, pp. 1441-146238.
124. Weijermars R. Principles of rock mechanics. Alboran Science Publishing, 1997. p. 359.
125. Brady B.H.G., Brown E.T. Rock mechanics for underground mining, 2nd ed. London: Chapman & Hall, 1992. p. 571
126. Pande G.N, Beer G, Williams J.R. Numerical methods in rock mechanics. Chichester. Wiley, 1990. p. 32
127. Birch, F., The Velocity of Compressional Waves in Rock to 10 Kilobars, Part 1, J. Geophys. Res., 1960, v.65, pp. 1083-1102
128. Granryd L., Getting I.C. and Spetzler H., Path Dependence of Acoustic Velocity and Attenuation in Experimentally Deformed Westery Granite, Geophys. Res. Lett., 1983, №10, pp.71-74
129. Griggs, D. and Handin J. Observations of Fracture and a Hypothesis of Earthquakes, Rock Deformation (D. Griggs and J. Handin, Eds.), Geol. Soc. Amer. Mem., 1960, v.79, pp. 347-364
130. Lockner D. and Byerlee J. Acoustic Emission and Fault Formation in Rocks, Proceedings of the First Conference on Acoustic Emission/Microseismic Activity in Geologic Structures and Materials, 1977, pp. 99-107
131. Lockner, D. and J. Byerlee. Development of Fracture Planes during Creep in Granite, Proceedings of the Second Conference on Acoustic Emission/Microseismic Activity in Geologic Structures and Materials, 1980, pp. 11-25
132. Matsushima, S., Variation of the Elastic Wave Velocities of Rocks in the Process of Deformation and Fracture under High Pressure, Bull. Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., 1960, v.32, pp. 1-8
133. Mogi К. Study of Elastic Shocks Caused by the Fracture of Heterogeneous Materials and Its Relation to Earthquake Phenomena. Bull. Earthq. Res. Inst., 1962, v.40, pp. 125-173.
134. Mogi, K. Source Locations of Elastic Shocks in the Fracturing Process in Rocks 58., Bull. Earthq. Res. Inst., 1968, v.46, pp. 1103-1125
135. Nishizawa 0., Xai K.O. and Usunose K.K. Hypocenter Distribution and Focal Mechanism of AE Events During Two Stress Stage Creep in Yugawara Andesite, Pure appl. Geophys., 1984, v.l 12, pp. 36-52
136. Scholz С. H. The Frequency-magnitude Relation of Micro-fracturing in Rock and Its Relation to Earthquakes, Bull. Seism. Soc. Amer., 1968a, v.58, pp. 399-415
137. Scholz С. H. Experimental Study of the Fracturing Process in Brittle Rock, J. Geophys. Res., 1965b, v.73, pp. 1447-1454
138. Shimizu, N. and I. Maeda, The Effect of Velocity Anisotropy on AE Source Locations in a Very Large Granite Sample. J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., 1982, v.VII, №7, pp. 135-144
139. Sokdergerd С. II. and Estey L. Acoustic Emission Study of Microfracturing During the Cyclic Loading of Westerly Granite, J. Geophys. Res., 1981, v.86, pp.2915-2924
140. Takahashi M., Lin W., Li X., Kwasniewski M. Mechanical and Hydraulic Behaviors in Shirama Sandstone under True Triaxial Compression Stress// Proc. Int. Symp. ISRM, EUROCK 2005, Brno, May 18-20, 2005. Brno: UCN, 2005, pp. 236-248
141. Reid H.F. The California earthquake of April 18, 1906. 2. The Mechanics of Earthquake. The Carnegie Inst. Wash., Wash., D.C., 1910
142. Brace W.F., Paulding B.W., Scholz C. Dilatancy in the fracture of crystalline rocks//J. Geophysics Res., 1966, v.77, pp. 3939-3953
143. Nur A. Dilatancy, pore fluid and premonitory variations of t/tp travel times//Bull. Seismology. Soc. Amer. 1972, v. 62, pp. 1217-1222
144. Scholz C.H. Sykes L.R., Aggarwall Y.P. Earthquake prediction: a physical basis, Science, 1973, v. 181, p. 803-810
145. Brady B.T. Theory of earthquakes. 1. A scale independent theory of rock failure, Pure Apply Geophysics, 1974, v.l 12, p. 701-725
146. Mogi K. Dilatancy of rock general triaxial stress with special reference to earthquake precursors. J. Phys. Earth, 1977, 25, Suppl., pp. 5203-5217
147. Bieniawski Z.T. Mechanism of brittle fracture of rock. P. I-III, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1982, v. 4, №4, pp.395-430
148. Gramberg J. The "ellipse-with-notch" theory to explain axial cleavage fracturing of rocks (a natural extension to the first Griffith theory) // Int. J. Rock Mech. Min. Sci., v.7,1970, p.537-559
149. Gramberg J. Internal stresses in rock as a result of granular structure and axial cataclasis: acoustic measurements// Adv. Rock Mech., v.2, part A, 1974, p.549-556
150. Kotte A.O. Stress-strain relations and breakage of cylindrical granite rock specimens under uniaxial and triaxial loads. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 1969, v.6, №6, pp.581-595
151. Fu-Bao Zhang Experimental investigations on shielding effects between cracks// Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1987, v.814, part 2, pp.696698
152. Grachev V., Nesterov A. I., Ovchinikov S. G. The gauge theory point defects. Phys. Status Solidi B, 1989, V. 156, pp. 403-4101. Нрц'ОУОП.ЦР. J7 ^^
153. ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ- (РОСПАТЕНТ)м ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННОЙ СОБСТВЕННОСТИ
154. Бсрсжижш мб, 30. корп. 1, Мост, Г-59, ГСП-5.123995 Телефон 2*0-60-15 Телеке J1481» ПДЧ Фюсс 243-33-37
155. УВЕДОМЛЕНИЕ О ПОСТУПЛЕНИИ И РЕГИСТРАЦИИ ЗАЯВКИ0310.2006 038131 2006135046
156. Дата поступлений Входящий № Регистрационный №1. М1»ч*|вЛр(86)
-
Опанасюк, Александр Александрович
-
кандидата технических наук
-
Владивосток, 2006
-
ВАК 25.00.20
- Разработка метода определения надежных деформационных предвестников разрушения образцов горных пород
- Разработка метода и измерительных средств диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии
- Разработка критериев и методики идентификации геодинамических процессов по электромагнитному излучению вблизи выработок неглубокого заложения
- Обоснование и разработка модели самонапряженного состояния породного массива для обеспечения устойчивости горных выработок
- Разработка метода определения механических свойств горных пород на основе синхронных деформационных и акустико-эмиссионных измерений
