Закономерности зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок в условиях больших глубин

Сапелкина, Валентина Михайловна

Автореферат диссертации по теме "Закономерности зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок в условиях больших глубин"

На правах рукописи

САПЕЛКИНА Валентина Михайловна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗОНАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ГЛУБИН

Специальность - 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ имени В.В.Куйбышева)» (ГОУВПО «ДВГТУ»).

Ведущая организация:

Проектный институт ОАО "ДальвостНИИпроектуголь"

Защита состоится « 6 » декабря 2005 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) 266988. E-mail: Leo_ss@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «ДВГТУ».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.В.Макаров

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.Н.Нисковский кандидат технических наук, И.Ю.Рассказов

Автореферат разослан

Ученый секретарь

канд. техн. наук

В.Н. Макишин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях больших глубин разрушение горных пород вокруг подземных выработок часто носит зональный характер. В исследованиях последних лет установлен механизм явления и разработана математическая модель массива, соответствующая представлениям механики дефектных сред о сильном сжатии геоматериалов.

В этом случае массив моделируется сплошной средой, в каждой точке которой нарушено условие совместности деформаций, что вынуждает вводить в рассмотрение калибровочные поля пластических деформаций, соответствующих нарушениям сплошности среды. Напряжения в такой среде носят осциллирующий периодический характер, а зоны разрушения возникают в точках максимумов нормальных тангенциальных напряжений.

Разработка математической модели зонального разрушения массива вокруг подземных выработок и установление механизма явления позволяет переходить к теоретическим исследованиям и установлению существующих здесь закономерностей В случае незакрепленных выработок наиболее актуальными являются вопросы влияния прочностных свойств и параметров трещинной нарушенности массива горных пород на характеристики зональной структуры разрушения. Большой практический интерес представляет также исследование влияния крепления на параметры зональной структуры.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), Минобразования РФ (№ГБ53.1.6.02/1), а также совместной программы ДВО и УрО РАН (№К2004 - Р2 - ГрО - С09).

Цель работы заключается в установлении закономерностей явления зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок.

Основная идея работы заключается в решении краевых задач механики

с использованием неклассической математич^ской-модеди, дефектной среды,

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I

разработке компьютерных программ и численного исследования на этой основе закономерностей зонального разрушения сильно сжатого массива горных пород вокруг подземных выработок.

Методы и средства исследования. Для исследования и решения поставленных в работе задач использовались теоретические методы механики дефектных сред, аналитические методы решения краевых задач механики, методы программирования в математическом пакете МаШСАЭ.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Теоретическое представление массива горных пород на большой глубине далекой от состояния термодинамического равновесия дефектной средой с невыполняемыми в общем случае условиями совместности деформаций адекватно описывает зональный характер разрушения вокруг подземных выработок в натурных условиях.

2. Параметры зональной структуры разрушения массива вокруг подземных выработок зависят от уровня напряженного состояния массива (глубины разработки), характеристик трещинной структуры и прочностных свойств пород.

3. Крепление горной выработки оказывает влияние на параметры зональной структуры разрушения таким образом, что с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения по сравнению с незакрепленной выработкой, а само наличие крепления выработки по ее контуру увеличивает относительное критическое напряжение зонообразования ближних к нему зон по сравнению с незакрепленной выработкой.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем: - поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием со свободным

от нагрузок контуром, моделирующим незакрепленную подземную выработку;

- поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку;

- установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок в зависимости от величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в том, что с ростом напряжений количество зон разрушения возрастает, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки;

- установлены закономерности влияния крепления на развитие зональной структуры разрушения массива вокруг подземной выработки, заключающиеся в том, что наличие крепи увеличивает относительное критическое напряжение зонообразования ближних к контуру зон по сравнению с незакрепленной выработкой, а с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена: полным удовлетворением граничных условий полученных аналитических решений задачи механики, использованием в разработанных компьютерных программах методов программирования в математическом пакете \lathCAD, хорошим согласованием результатов теоретических и натурных экспериментальных исследований (отличие не превышает 25 %).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей зонального разрушения горных пород в сильно сжатом массиве вокруг подземных выработок на больших глубинах.

Практическое значение и реализация работы заключается в возможности использования полученных закономерностей для прогноза характера поведения горного массива при строительстве подземных сооружений в условиях больших глубин, а также для прогноза влияния крепи на степень разрушения горного массива в окрестности выработки. Установленные в ходе исследований закономерности создают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных горных выработок в условиях больших глубин.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на конференциях «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (г. Владивосток, 2002, 2004 гг.), «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск, 2003г.), «Проблемы портовых городов» (г. Находка, 2003 г.) «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (г. Тула, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 81 странице машинописного текста, и содержит 51 рисунок, 8 таблиц, 7 приложений, список использованной литературы из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены новые научные результаты, полученные лично соискателем, научная и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор современного состояния исследований проблемы зонального разрушения массива горных пород и рассмотрено развитие экспериментальных и теоретических методов решения задачи зонального разрушения массива вокруг подземных выработок.

Проведена оценка результатов натурных (Б.П.Бадтиев, В.А.Борисовец, И.Я.Елисоветский, Б.И.Емельянов, М.П.Зборщик, В.Я.Кириченко, Ю.С.Кузнецов, В.П.Лушпей, В.В.Макаров, А.Ф.Морозов, В.Н.Опарин, В.Н.Рева, М.А.Розенбаум, А.П.Тапсиев, О.А.Хачай, А.В.Шмиголь, G.R.Adams, A.J.Jager, Bai Shiwei, и др.) и лабораторных экспериментальных исследований (Ф.П.Глушихин, М.В.Курленя, В.Н.Рева, М.А.Розенбаум, Г.Л.Фисенко, Е.И.Шемякин, М.Ф.Шклярский и др.), а также гипотез и теоретических исследований зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок (М.А.Гузев, В.В.Макаров, А.Ф.Морозов, В.Н.Одинцев, А.А.Парошин, А.Г.Протосеня, А.Ф.Ревуженко, Э.А.Тропп,

A.И.Чанышев, Е.И.Шемякин и др.).

Механизм явления зонального деформирования и разрушения массива вокруг подземных выработок, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия, имеющего следствием сдвиговое микроразрушение пород на структурных неоднородностях среды, напряжения вокруг выработок приобретают осциллирующий характер, а на локальных участках (зонах) действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений развиваются трещины отрыва, определяя сжатие промежуточных зон в нормальном к контуру разуплотненных зон направлении, установлен В.В.Макаровым.

Отмечаются достоинства и недостатки существующих методов и гипотез зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок. По результатам обзора сделаны выводы о необходимости применения неклассической модели механики дефектных сред для адекватного описания массива горных пород в условиях больших глубин. Модель иазработана

B.П.Мясниковым, М.А.Гузевым, В.В.Макаровым и А.А.Парошиным.

Во второй главе поставлена задача механики о незакрепленной выработке в массиве горных пород на большой глубине, и для ее решения проведена адаптация неклассической модели механики сплошной среды к

решению задачи зонального разрушения массива горных пород вокруг подземной выработки в этих условиях.

Массив горной породы на большой глубине представлен далекой от состояния термодинамического равновесия дефектной средой, находящейся в условиях всестороннего сжатия. Краевая задача формулируется как задача о напряженном состоянии невесомой плоскости, представленной сплошной средой с дефектами, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, моделирующим незакрепленную подземную выработку (рис.1). В силу полярной симметрии задачи уравнения равновесия имеют вид:

где сггг - нормальное радиальное напряжение, МПа; а^ - нормальное тангенциальное напряжение; <тгф - касательное напряжение.

На контуре выработки (г = г0) и на бесконечности заданы внешние силы вида:

(I)

X

Рис. 1. Расчетная схема задачи о незакрепленной выработке

игг = 0 при г = г0> <тгг, аж при г-> со,

(2)

где сг„ = у ■ Н, у - плотность пород, Н/м3; Н - глубина заложения

п п

выработки, м.

Массив горных пород на большой глубине моделируется средой, где в общем случае не выполняются условия совместности деформаций е :

асхдхг ск*

Параметр дефектности удовлетворяет уравнению:

А2Я-у2Я = 0, (4)

где А - оператор Лапласа; у-параметр модели. Так как задача плоская и осесимметричная, то в полярных координатах уравнение (4) примет вид:

дг2 г дг

Я=у2Я (5)

Решение уравнения (5), убывающее при г со, имеет вид:

Я(г) = а/0 {фГг)+ ЬМ0 (Т^г)+ сК0 Ц^г), (6)

где J0,N0,KQ-- функции Бесселя, Неймана и Макдональда нулевого порядка соответственно.

На контуре выработки массив горной породы претерпевает значительные разрушения, поэтому параметр дефектности Я здесь должен быть отличен от нуля. Предполагая, что все зоны разрушения пород равноправны и имеют одинаковое происхождение, вводится условие экстремума функции Я (г) в контурной и последующих зонах разрушения. Отсюда краевые условия для функции Я(г) выбираются в виде:

Я'{А =0, ,=0, (7)

I г=г0 I г=г

где г определяется из эксперимента.

Уравнение для первого

инварианта напряжений

сг = сг + сг +сг имеет вид:

22 гг акр

Аст =-Я, сг-*2(1 + у)сг , г ->оо

2(1-)/) 00

(8)

с известной функцией Я, где Е - модуль упругости, у - коэффициент Пуассона.

Решение задачи (8) дает выражения для компонент напряжений: 2^

а =<у

ГГ 00

О —<7

1-Д

(! у/2 7 ^ • Г)+ ЙАГ1 сК\ Уг ■г)] '

( Гп2

г1

(9)

где г - расстояние от центра выработки до выбранной точки массива.

Напряжения вокруг выработки носят осциллирующий характер (рис.2).

•5т

ад

<ггг(гУас

1 ! \ Л / \ 1 / Ч

1 / \ V V 1 4 0» » Л 1 \ /Д /" у. - \ л / у "V" л » ч

/А л /\ д А * \ / X» 1 /-А

1 1 1 1 / \ г / \ 4 /

Рис 2. Осциллирующий характер напряжений и Л - функции в массиве вокруг

подземной выработки

Зоны разрушения возникают на участках выполнения условий отрывного разрушения при сжатии:

-^i = '(/i 'cri° ~7ъ '°~з) ä Kic, (10)

где I - полудлина трещинных дефектов массива, которая принимается равной минимальной полудлине неустойчивых макротрещин отрыва, м; of, ¡7°-соответственно max и min главные напряжения, МПа; , уъ - эмпирические

коэффициенты; К/ - коэффициент интенсивности напряжений,

- трещиностойкость горных пород, МПа-1$.

В качестве критериальной функции выбирается отношение

Кг{г) = Кх!К,с. (11)

При К\ / К]с < 1 разрушения вокруг горной выработки нет; при Ä", / К1с >1 начинается образование трещин.

Критериальная функция, также как напряжения и функция R, имеет осциллирующий характер (рис.3). Сравнение результатов аналитических и экспериментальных исследований показывает их хорошую сходимость (табл.1).

7 2 ? 4 г/г0

Рис 3 Характер изменения критериальной функции

Таблица 1

Сравнение результатов теоретических исследований с данными экспериментов ВНИМИ для условий Донбасса (незакрепленная выработка)

Элементы зональной структуры

Вид исследования, отклонение в 1-я зона 2-я зона 3-я зона 4-я зона

процентах разруше разруше разруше разруше

ния ния ния ния

Положение дальней границы зоны, г/г0

Эксперимент 1,03 2,23 3,40 4,54

Теория 1,28 2,17 3,09 3,97

Отклонение, % 24,3 -2,7 -9,1 -12,6

Относительные критические напряжения образования зоны, о /а с

Эксперимент 1,1 2,2 2,7 -

Теория 0,95 2,1 3,1 -

Отклонение, % -13,9 -4,5 14,8 -

В третьей главе произведено исследование закономерностей зонального разрушения горных пород вокруг незакрепленной подземной выработки.

Для проведения исследования написаны алгоритмы и составлены программы, в которых запрограммированы формулы для вычислений функции дефектности Я (г), напряжений, а также критериальной функции Кг(г)

На основе разработанных программ проводился вычислительный эксперимент, в котором анализировались параметры трех типов. К первому типу относятся параметры модели у, с, которые определяются из эксперимента с учетом условий всестороннего сжатия на большой глубине.

Ко второму типу относятся параметры, характеризующие механические свойства горных пород массива: Е - модуль упругости, МПа; V -коэффициент Пуассона; ис - предел прочности на одноосное сжатие, МПа, а также величина гравитационных напряжений в массиве сг,*, МПа.

К третьему типу относятся параметры, входящие в выражение (10), которые характеризуют трещинную структуру массива: полудлина

трещинных дефектов массива - /; трещиностойкость породы - КХс, а также коэффициенты уъ и ух (в дальнейшем используется отношение уъ1у,).

Для подбора указанных параметров были составлены шесть программ: программы подбора параметров модели у и с ; программы определения положения последней зоны разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок); программы вычисления радиальной протяженности зон разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок).

Разработаны блок - схемы программ и приведено их краткое описание. Получены зависимости изменения параметров зональной структуры разрушения массива от влияющих факторов. В качестве основных параметров зональной структуры выделены: количество зон разрушения; положение наиболее удаленной от контура выработки границы разрушенных пород (последней зоны разрушения); относительные критические напряжения зонообразования, а также величина радиальной протяженности разрушенных зон.

В результате проведения вычислительного эксперимента на основе принятой математической модели установлено, что параметры зональной структуры незначительно зависят от величины параметров упругих свойств горных пород Е и у. Этот вывод соответствует данным лабораторных исследований ВНИМИ (при изменении модуля упругости в 10 раз критические напряжения зонообразования изменяются в среднем на 2-5 %). Исследования закономерностей зонального разрушения проведены для случаев весьма прочных пород (сгс =150 МПа) и для малопрочных пород (сгс=15МПа).

Установлено, что основным фактором, влияющим на параметры зональной структуры разрушения, является величина действующих в массиве напряжений (глубина заложения выработки). С ростом напряжений растет число разрушенных зон, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к

контуру выработки. При этом граница последней зоны разрушения перемещается вглубь массива (рис.4).

Весьма существенное влияние на характер зонального разрушения оказывают и параметры трещинной структуры массива. Так, радиальная протяженность зон разрушения уменьшается при увеличении трещиностойкости породы (рис.5). С уменьшением трещиностойкости породы зоны разрушения появляются при меньших относительных напряжениях, а расстояние последней зоны разрушения от контура выработки увеличивается.

Интенсивность нарушенности пород также оказывает существенное влияние на параметры зональной структуры разрушения. При увеличении длины трещинных дефектов массива радиальная протяженность зон разрушения возрастает. Этот параметр уменьшается при увеличении отношения уг!ух. Закономерности, установленные для малопрочных пород, описанные выше, оказываются справедливыми и для прочных пород.

а/<хс

3,5

0 О 5 г/г0

Рис. 4. Зависимость положения последней зоны разрушения от действующих в массиве напряжений

Рис. 5 Зависимость радиальной протяженности первой зоны разрушения от трещиностойкости породы

В четвертой главе проведено исследование закономерностей зонального разрушения сильно сжатых горных пород вокруг закрепленных подземных выработок.

Рассмотрена постановка и решение задачи о подкрепленной выработке. Массив горной породы на большой глубине представлен далекой от состояния термодинамического равновесия дефектной средой, находящейся в условиях всестороннего сжатия. Краевая задача формулируется как задача о напряженном состоянии невесомой плоскости, представленной сплошной средой с дефектами с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку.

Условия равновесия и несовместности деформаций формулируются аналогично задаче о неподкрепленной выработке.

Из натурных и лабораторных экспериментов следует, что крепление существенно уменьшает разрушения на контуре выработки, поэтому в качестве первого приближения здесь вводятся условия

Я\г^ = 0.

(12)

Функция Я достигает экстремума в первой и последующих зонах разрушения, поэтому второе краевое условие для функции Я принимается в виде:

Я

= 0.

г=г

(13)

Кроме того, граничные условия в уравнении равновесия принимают вид:

стгг=Р при г=г0, (14)

где Р - отпор крепи, МПа.

Расчетная схема задачи о закрепленной выработке представлена на рис.6.

Рис. б. Расчетная схема задачи о закрепленной выработке

В результате решения указанной краевой задачи получены следующие выражения для компонент напряжений:

1 ->

\ У

Е /о

2(1-и2 У'2 г2

( 2^1 г

— <У 1+Я-

(нр со V \ )

2{1-У2У

2

4к иГ-г)+Ьм{^-г)+сК(^-г)]-

(15)

372

2(1 -у2У

3/2

2

Методы, разработанные в третьей главе для изучения закономерностей зонального разрушения массива горных пород в случае незакрепленной выработки, легли в основу исследования закономерностей разрушения массива в случае закрепленной выработки. В результате проведенного вычислительного эксперимента на основе предложенной математической модели с использованием вышеуказанных программ исследовано влияние всех определяющих факторов на параметры зональной структуры разрушения.

Получены зависимости количества зон разрушения, их радиальной протяженности и положения последней зоны от величины относительных напряжений в массиве, механических свойств пород и параметров их трещинной структуры.

Установлено, что, как и в случае незакрепленной выработки, основным фактором, влияющим на параметры зональной структуры разрушения, является величина действующих в массиве напряжений (глубина заложения

выработки). С ростом напряжений граница последней зоны разрушения перемещается вглубь массива, число зон разрушения и их радиальная протяженность увеличиваются.

Параметры трещинной структуры массива также оказывают существенное влияние на зональное разрушение пород вокруг закрепленной выработки: радиальная протяженность зон разрушения уменьшается при увеличении трещиностойкости породы. С уменьшением трещиностойкости породы критические напряжения зонообразования уменьшаются, а расстояние последней зоны разрушения от контура выработки увеличивается.

Также оказывает существенное влияние на параметры зональной структуры разрушения интенсивность нарушенности пород. При увеличении длины трещинных дефектов массива радиальная протяженность зон разрушения возрастает (рис. 7). Радиальная протяженность зон разрушения, напротив, уменьшается при увеличении отношения коэффициентов УЪ1 у х-

¿г/г*

0,6

5 Ю I, мЮ4

Рис 7 Зависимость радиальной протяженности первой зоны разрушения от размеров трещинных дефектов массива

Проведены сравнительные исследования результатов расчетов для случаев незакрепленной и' закрепленной выработок. Установлено, что критические напряжения, при которых начинается образование зон разрушения, существенно разнятся для двух рассматриваемых случаев. Если для первой зоны разрушения крепление выработки замедляет появление зоны (требуются большие напряжения для начала ее образования) (табл. 2), то для третьей зоны разрушения, наоборот, крепление несколько уменьшает величину критических напряжений.

Показано, что вокруг закрепленной выработки также возможно развитие зонального разрушения массива. Однако это может происходить при значительно больших напряжениях (глубинах заложения), чем в случае незакрепленной выработки. Так, если без учета крепления первая зона разрушения должна образоваться при значениях у„Н = 0,82, то в этих же условиях наличие крепи даже с небольшим сопротивлением (Р = 0,1 МПа) позволяет формироваться зональному разрушению только при у„Н= 1,13 (см. табл. 2).

Сравнение результатов теоретических исследований с экспериментальными показывает, что учет фактора крепления в модели значительно улучшает описание натурных наблюдений (см. табл. 2). Это свидетельствует о высокой достоверности полученных результатов и обоснованности выбора граничных условий краевых задач.

Исследовано также влияние величины сопротивления крепи на развитие зон разрушения. Установлено, что с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения, а относительные критические напряжения образования этих зон увеличиваются. Влияние величины сопротивления крепи на параметры зональной структуры разрушения для малопрочных пород показано в табл. 3.

Таблица 2

Сравнение результатов теоретических исследований для незакрепленной и закрепленной выработок с данными экспериментов

Вид исследования, отклонение в Элементы зональной структуры

процентах 1-я зона 2-я зона 3-я зона

разрушения разрушения разрушения

Положение дальней границы зоны, г/г0

Эксперимент (среднее по скважинам) 2,47 3,97 5,3

Теория (незакрепленная выработка) 2,35 4,16 5,90

Отклонение, % 4,9 4,8 11,3

Теория (закрепленная выработка) 2,29 4,15 5,93

Отклонение, % 7,3 4,5 11,9

Относительные критические напряжения образования зоны, а /ас

Эксперимент 1,1 2,2 2,7

Теория (незакрепленная выработка) 0,82 1,95 2,60

Отклонение, % 25,0 11,5 3,7

Теория (закрепленная выработка) 1,13 1,94 2,49

Отклонение, % 3,0 11,8 7,7

Таблица 3

Влияние сопротивления крепи на радиальную протяженность первой зоны разрушения массива

Сопротивление крепи Р, МПа 0,1 1 5 10

Радиальная протяженность первой зоны разрушения, г/г0 0,257 0,251 0,229 0,194

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи геомеханики по установлению закономерностей зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием со свободным от нагрузок контуром, моделирующим незакрепленную подземную выработку.

2 Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку.

3. Разработаны алгоритмы и программы определения величины радиальной протяженности зон разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок), программы определения параметров модели и программы определения положения последней зоны разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок).

4. Получены зависимости радиальной протяженности зон разрушения от исследуемых параметров: механических свойств пород, величины напряженного состояния массива (глубины заложения выработки), а также параметров трещинной структуры массива: трещиностойкости, размеров трещинных дефектов и отношения корректирующих коэффициентов критериальной функции. Эти зависимости охватывают условия как

малопрочных, так и прочных пород в случаях незакрепленной и закрепленной выработки.

5. Установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при изменении величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в том, что с ростом напряжений количество зон разрушения возрастает, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки.

6. Установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при изменении характеристик трещинной структуры массива, заключающиеся в том, что с ростом размеров трещинных дефектов радиальная протяженность зон разрушения увеличивается, а относительные критические напряжения зонообразования уменьшаются.

7. Установлены закономерности влияния крепления на развитие зональной структуры разрушения массива вокруг подземной выработки, заключающиеся в том, что с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения, появление этих зон затрудняется, а само наличие крепления выработки по ее контуру увеличивает относительные критические напряжения зонообразования ближних к нему зон по сравнению с незакрепленной выработкой.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Макаров В.В., Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М., Кива М.Н.. Осцилляционный характер напряжений вокруг пройденных в сильно сжатых породах выработок и зональное разрушение массива// Сборник трудов международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2002.- С. 138-144.

Макаров В.В., Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М., Кива М.Н.. Зональное разрушение массива и осцилляционный характер напряжений вокруг пройденных в сильно сжатых породах выработок// Известия ТулГУ, Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.-С. 193-198.

Макаров В.В., Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М., Кива М.Н., Опанасюк H.A.. О влиянии крепления на развитие зональной структуры разрушения сильно сжатых горных пород вокруг подземных выработок// Международная конференция к 60-летию Горно-геологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела СО РАН, 25 - 29 октября 2004 г. -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005.-С. 215-221. Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М.. Применение неклассических моделей механики сплошной среды при расчете напряжений вокруг горных выработок круглого сечения на больших глубинах// Материалы конференции «Проблемы портовых городов», 23 ноября 2003г.Находка: Изд-во НИЭИ, 2003.-С.21.

Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М.. Исследование влияния свойств горных пород на развитие зональной структуры разрушения вокруг подземной выработки// Труды ДВГТУ. Вып. 137.-Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004.-С. 135-137.

Ксендзенко Л.С, Сапелкина В.М., Яценко OB.. Исследование влияния глубины заложения на развитие зональной структуры разрушения вокруг подземной выработки// Труды ДВГТУ. Вып. 138,-Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004.-С. 84-85.

Ксендзенко Л.С., Сапелкина В.М.. Применение методов механики дефектных сред в задачах зонального разрушения массива в случаях закрепленной и незакрепленной подземных выработок// Труды ДВГТУ. Вып. 140.-Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005.-С. 156-159.

»213 68

РНБ Русский фонд

2006-4

С АЛЕШИНА Валет ______

20068

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗОНАЛьп^х ^ гшг * шсппл ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ГЛУБИН

Автореферат

Г

Подписано в печать 31.10.05. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 162

Типография издательства ДВГТУ. 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сапелкина, Валентина Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Исследование состояния вопроса о зональном разрушении массива горных пород вокруг подземных выработок.

1.1 Экспериментальное открытие явления зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок.

1.1.1 Натурные исследования.

1.1.2 Лабораторные исследования.

1.2 Теоретические исследования зонального разрушения горных пород вокруг выработок.

1.2.1 Математические модели массива горных пород в условиях больших глубин.

1.3 Теоретические концепции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок.

ГЛАВА 2. Аналитические исследования зонального разрушения сильно сжатых горных пород вокруг подземных выработок.

2.1 Математическая модель сильно сжатого на большой глубине породного массива.

2.2Выбор и постановка краевой задачи о невесомой плоскости, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим незакрепленную подземную выработку.

2.3 Сравнение результатов экспериментальных и аналитических исследований.

ГЛАВА 3. Исследование закономерностей зонального разрушения горных пород вокруг незакрепленных подземных выработок.

3.1 Методика исследований.

3.1.1 Численный эксперимент и его параметры.

3.1.2 Перечень программ численного эксперимента. Описание алгоритмов программ.

3.2Исследование закономерностей для малопрочных пород.

3.2.1 Исследование влияния параметров трещинной структуры на поведение зон разрушения

3.2.2 Исследование влияния напряженного состояния массива на поведение зон разрушения.

3.3Исследование закономерностей зонального разрушения для прочных пород.

3.3.1 Исследование влияния прочностных и структурных факторов на поведение зон разрушения.

3.3.2 Исследование влияния напряженного состояния массива на поведение зон разрушения.

ГЛАВА 4. Исследование закономерностей зонального разрушения сильно сжатых горных пород вокруг закрепленных подземных выработок.

4.1Постановка и решение задачи о подкрепленной выработке.

4.1.1 Постановка и решение задачи.

4.1.2 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.2Исследование закономерностей изменения параметров зон разрушения в подкрепленной выработке.

4.2.1 Исследование влияния крепления на параметры зональной структуры разрушения

4.2.2 Исследование влияния величины сопротивления крепи на параметры зональной структуры разрушения.

4.2.3 Исследование влияние прочностных и структурных факторов на поведение зон.

4.3 Некоторые практические приложения результатов проведенных исследований

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Закономерности зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок в условиях больших глубин"

Актуальность работы. В условиях больших глубин разрушение горных пород вокруг подземных выработок часто носит зональный характер. В исследованиях последних лет установлен механизм явления и разработана математическая модель массива, соответствующая представлениям механики дефектных сред о сильном сжатии геоматериалов.

В этом случае массив моделируется сплошной средой, в каждой точке которой нарушено условие совместности деформаций, что вынуждает вводить в рассмотрение калибровочные поля пластических деформаций, соответствующих нарушениям сплошности среды. Напряжения в такой среде носят осциллирующий периодический характер, а зоны разрушения возникают в точках максимумов нормальных тангенциальных напряжений.

Разработка математической модели зонального разрушения массива вокруг подземных выработок и установление механизма явления позволяет переходить к теоретическим исследованиям и установлению существующих здесь закономерностей. В случае незакрепленных выработок наиболее актуальными являются вопросы влияния прочностных свойств и параметров трещинной нарушенности массива горных пород на характеристики зональной структуры разрушения. Большой практический интерес представляет также исследование влияния крепления на параметры зональной структуры.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), Минобразования РФ (№ГБ53.1.6.02/1), а также совместной программы ДВО и УрО РАН (№К2004 - Р2 - ГрО - С09).

Цель работы заключается в установлении закономерностей явления зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок.

Основная идея работы заключается в решении краевых задач механики с использованием неклассической математической модели дефектной среды, разработке компьютерных программ и численного исследования на этой основе закономерностей зонального разрушения сильно сжатого массива горных пород вокруг подземных выработок.

Методы и средства исследования. Для исследования и решения поставленных в работе задач использовались теоретические методы механики дефектных сред, аналитические методы решения краевых задач механики, методы программирования в математическом пакете MathCAD.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Теоретическое представление массива горных пород на большой глубине далекой от состояния термодинамического равновесия дефектной средой с невыполняемыми в общем случае условиями совместности деформаций адекватно описывает зональный характер разрушения вокруг подземных выработок в натурных условиях.

2. Параметры зональной структуры разрушения массива вокруг подземных выработок зависят от уровня напряженного состояния массива (глубины разработки), характеристик трещинной структуры и прочностных свойств пород.

3. Крепление горной выработки оказывает влияние на параметры зональной структуры разрушения таким образом, что с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения по сравнению с незакрепленной выработкой, а само наличие крепления выработки по ее контуру увеличивает относительное критическое напряжение зонообразования ближних к нему зон по сравнению с незакрепленной выработкой.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем: - поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием со свободным от нагрузок контуром, моделирующим незакрепленную подземную выработку;

- поставлена и решена (совместно с Л.С.Ксендзенко) задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку;

- установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок в зависимости от величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в том, что с ростом напряжений количество зон разрушения возрастает, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки;

- установлены закономерности влияния крепления на развитие зональной структуры разрушения массива вокруг подземной выработки, заключающиеся в том, что наличие крепи увеличивает относительное критическое напряжение зонообразования ближних к контуру зон по сравнению с незакрепленной выработкой, а с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена: полным удовлетворением граничных условий полученных аналитических решений задачи механики, использованием в разработанных компьютерных программах методов программирования в математическом пакете MathCAD, хорошим согласованием результатов теоретических и натурных экспериментальных исследований (отличие не превышает 25 %).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей зонального разрушения горных пород в сильно сжатом массиве вокруг подземных выработок на больших глубинах.

Практическое значение и реализация работы заключается в возможности использования полученных закономерностей для прогноза характера поведения горного массива при строительстве подземных сооружений в условиях больших глубин, а также для прогноза влияния крепи на степень разрушения горного массива в окрестности выработки. Установленные в ходе исследований закономерности создают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных горных выработок в условиях больших глубин.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на конференциях «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (г. Владивосток, 2002, 2004 гг.), «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск, 2003г.), «Проблемы портовых городов» (г. Находка, 2003 г.) «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (г. Тула, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Сапелкина, Валентина Михайловна

Выводы:

1. Установлено, что основным фактором, влияющим на параметры зональной структуры разрушения, является величина действующих в массиве напряжений (глубина заложения выработки). С ростом напряжений растет число разрушенных зон, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки. При этом граница последней зоны разрушения перемещается вглубь массива.

2. Параметры трещинной структуры массива оказывают существенное влияние на характер зонального разрушения. Радиальная протяженность зон разрушения уменьшается при увеличении трещиностойкости породы. С уменьшением трещиностойкости породы зоны разрушения появляются при меньших относительных напряжениях, а расстояние последней зоны разрушения от контура выработки увеличивается.

3. Интенсивность нарушенности пород оказывает существенное влияние на параметры зональной структуры разрушения. При увеличении длины трещинных дефектов массива радиальная протяженность зон разрушения возрастает.

4. Радиальная протяженность зон разрушения уменьшается при увеличении отношения уъ! у х.

5. Закономерности, установленные для малопрочных пород оказываются справедливыми и для прочных пород.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗОНАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ЗАКРЕПЛЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК

4.1. Постановка и решение задачи о подкрепленной выработке 4.1.1. Постановка и решение задачи

Краевая задача формулируется как задача о напряженном состоянии невесомой плоскости, представленной сплошной средой с дефектами, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку. В силу полярной симметрии задачи уравнения равновесия имеют вид: да 1 / \ гесо, (4.1) где <7ГГ - нормальное напряжение в радиальном направлении; ст(р(р -нормальное напряжение в тангенциальном направлении; <уг(р - касательное напряжение.

На контуре выработки (г = г0) и на бесконечности заданы внешние силы вида:

ТГГ=Р при г=г0, (4.2) при г^ со, (4.3) где Со,, = у -И, уп - удельный вес пород, Н- глубина заложения выработки, Р - отпор крепи.

Массив горных пород в условиях сильного сжатия моделируется средой, где в общем случае не выполняются условия совместности деформаций.

Следуя [52], вводим параметр дефектности R: д2е d2s д2е R= —11--2—^ + —(4.4) Зс2 дххасг Зс2 удовлетворяющий уравнению

A2R-y2R = 0, (45) y2=E/[4q(l-v)], где Е - модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона, q - эмпирический коэффициент.

Из натурных и лабораторных экспериментов следует, что в условиях закрепленной выработки массив горной породы не претерпевает разрушения на контуре выработки, поэтому R\r=r = 0. о

Исходя из натурных экспериментов и физики процессов разрушения, отмечаем, что все зоны разрушения равноправны и имеют одинаковое происхождение. Отсюда ясно, что функция R достигает экстремума и в первой зоне разрушения, и во второй, и в последующих зонах. Поэтому краевые условия для функции R берем в виде:

R\r-r =0, R о г-г

0, (4.6) где г0 - радиус выработки, г*- положение первой зоны разрушения, определяемое из эксперимента. Рассмотрим задачу:

A2R = y2R, (4.7)

R\v—r =0, R

I r-rQ r=r 0, (4.8) где r0 - радиус выработки, г*- середина первой зоны разрушения, определяемая из эксперимента.

Так как задача осесимметричная, то для рассматриваемого случая плоской деформации зависимость от полярного угла отсутствует. Поэтому оператор Лапласа имеет вид:

Ad2R + ldR дг2 г дг '

Сначала найдем общее решение уравнения (4.7), записав решение в виде: R(r) = aJQ (fir) + bN() (fir) + cKq (fir). (4.9)

Для определения неизвестных а и b используем граничные условия (4.8). Сначала продифференцируем выражение (4.9), тогда

R'(r) = -afi~Jx (fir) - bfiN, (fir) - cfiK, (fir). (4.10) Пусть r = r0, тогда в силу первой формулы из граничного условия (4.8), или aJ0(fir0) + bNQ(firQ) = -cK0(fir0). (4.11)

Аналогично, используя вторую формулу из граничного условия (4.8), получим fir') + bN\ (fir*) = -сКх (fir*). (4.12)

Решая систему линейных уравнений (4.11), (4.12), находим

CI — —С-.-* -*-*

JQ{fir0) ■ N{ (fir*)- N0(fir) ■ J{ (fir*) J0(^r0).Kx (^yr)-K^ (^yrQ)-Jx (fir*) b = r,)-Nx(fir*)-NQ(firQ).JA(fir*)

Чтобы окончательно получить решение задачи (4.7), (4.8) осталось подставить в формулу (4.9) а и Ь. В полученном решении произвольная постоянная с - это параметр модели.

Для рассматриваемого случая плоской деформации компоненты szz, sz(p и s равны нулю, при этом напряжение <jZ7 ФО и, как следует из [52], zr определяется из соотношения l + v)-azz=va, (4.12) а — сг + сг + ст . (л л on zz rr qxp (4.1.3)

После преобразований, аналогичных проведенным в гл. 2, получаем cr = (v + l )-(cr/.,+o-w), сг -> 2 • (к +1) ■ (Too (4.14) при г—> оо.

Функция сг удовлетворяет уравнению (см. стр.24, гл.2)

4Л5) где функция определена по формуле (4.9). Рассмотрим задачу

Д ЕJQ

2-(l-v) при г —^оо. (4.16)

Задача (4.16) отличается от задачи (2.30) главы 2 тем, что коэффициенты а и b для функции R(r) в формуле (4.9) имеют другой вид в силу различия граничных условий (2.24) и (4.8).

Пусть а является решением задачи (4.16). Тогда из уравнения равновесия

-V,,-<xw) = 0, 0^=0 (4.17) и граничных условий (4.2), (4.3), зная сг, можно найти сг,т. Отличие от решения, выполненного в гл. 2 (стр. 25), состоит в том, что здесь ап, =Р.

После определения сг и сг;т по формуле crw =-- - сг,т находим <з(р(р.

Решим задачу (4.16). В полярных координатах оператор Лапласа имеет вид хтт d2U 1 dU dr r dr

Тогда уравнение (4.16) можно переписать в виде

4.18) г 2(1 - у)

Решение уравнения (4.18) определяется формулой (см. гл.2) о-в* = АA- - (4л9)

Для нахождения произвольных постоянных Д используем граничное условие: j0H -> 2(1 + v)crQ0 при г —» со. Так как lnjrj —» со при г —» оо, то /? = 0.

При больших значениях аргумента х справедливы следующие асимптотические представления функции Бесселя, Неймана и Макдональда.

Nv 00 * дsin(x - -Г" ~т) ' V яг 2 4 w-Vi8"*

Поэтому при г—>со функции NQ(-Jyr), K{)(-Jyr) стремятся к нулю, отсюда /32 = 2(1 + v)^.

Итак, решение задачи (4.16) имеет вид:

7 = 2(1 + vfo, - y^Yf (aJ° + " )} • (4"20)

Для определения напряжений рассмотрим уравнение равновесия (4.1) при условиях (4.2), (4.3).

Преобразуем уравнение (4.1). Так как о- , (4.21) срср у + \ IT ' то после подстановки в (4.1) получим д&п- ^ 2<Jrr сг ^ 22) дг г (v +1) • г '

В главе 2 (стр.32) показано, что общее решение задачи (4.22), (4.3) определяется формулой о-(0Н) = ^ + а • г-2 --^———(о/ (jyr) + bN {Jrr) + сК (^r)). (4.23) rr 2(1-к)yr 1 1

Чтобы найти постоянную а воспользуемся граничными условиями (4.2).

Подставим в (4.23) arr = Р при г = г0:

Р = сг +а-г~2 ----—Ш (Jyr) + bNt(Jyr) + сК (JyrJ).

00 0 2(l-v2)^3/2 r0

Отсюда находим = r,\P - О + on 5^3/2 ^оК (VT^o) + (^о) + (Vr^)) •

Для определения нормального радиального напряжения сг осталось подставить а в (4.23): 2 ■-i) -7„5W3/2\(pJ0r) + bN0r) + + 6JV, (л/Г+ W^,» + '

Теперь, зная сг и сг,.,., по формуле (4.31) находим О 2

0 г

V У

4.24) г 2 2(1 -ify/z^W +^(VH+^ 2 ^ (V^r) + ^ (V/r)) - ■ (4-25)

2(1-v)y r 1 0 1 0 1 0 rl

Здесь P - отпор крепи, МПа. Интервал изменения Р от 0,1 до 10. Предполагается, что при Р = 0,1 МПа крепление выработки осуществляется облегченными видами крепи (набрызгбетон и т.п.).

4.1.2. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований

Сравнение эмпирических и теоретических данных для закрепленной выработки в случае малопрочных пород проводилось по относительным напряжениям, соответствующим критическим напряжениям зонообразования для условий Донбасса (Интинское месторождение) [26]. Теоретические данные получены при следующих значениях параметров трещинной структуры породы: предел прочности на одноосное сжатие сг =15 МПа; трещиностоикость КХс =0,5 МПа-^; полудлина трещинных дефектов массива /=0,0005 м; отношение эмпирических коэффициентов уъ!ух = 0,8; отпор крепи Р=0,1 МПа (табл.4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи геомеханики по установлению закономерностей зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием со свободным от нагрузок контуром, моделирующим незакрепленную подземную выработку.

2. Поставлена и решена задача механики о напряженном состоянии невесомой, в общем случае дефектной, плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку.

3. Разработаны алгоритмы и программы определения величины радиальной протяженности зон разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок), программы определения параметров модели и программы определения положения последней зоны разрушения (для закрепленной и незакрепленной выработок).

4. Получены зависимости радиальной протяженности зон разрушения от исследуемых параметров: механических свойств пород, величины напряженного состояния массива (глубины заложения выработки), а также параметров трещинной структуры массива: трещиностойкости, размеров трещинных дефектов и отношения корректирующих коэффициентов критериальной функции. Эти зависимости охватывают условия как малопрочных, так и прочных пород в случаях незакрепленной и закрепленной выработки.

5. Установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при изменении величины действующих в массиве напряжений, заключающиеся в том, что с ростом напряжений количество зон разрушения возрастает, увеличивается их радиальная протяженность вплоть до слияния соседних зон, причем тем быстрее, чем ближе зона расположена к контуру выработки.

6. Установлены закономерности изменения параметров зональной структуры разрушения горных пород вокруг подземных выработок при изменении характеристик трещинной структуры массива, заключающиеся в том, что с ростом размеров трещинных дефектов радиальная протяженность зон разрушения увеличивается, а относительные критические напряжения зонообразования уменьшаются.

7. Установлены закономерности влияния крепления на развитие зональной структуры разрушения массива вокруг подземной выработки, заключающиеся в том, что с ростом сопротивления крепи уменьшается радиальная протяженность зон разрушения, появление этих зон затрудняется, а само наличие крепления выработки по ее контуру увеличивает относительные критические напряжения зонообразования ближних к нему зон по сравнению с незакрепленной выработкой.

113

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сапелкина, Валентина Михайловна, Владивосток

1. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994. -382 с.

2. Борисовец В.А. Неоднородности волнового характера в породах вблизи выработок, сооружаемых буровзрывным способом // Шахтное строительство.- 1972. №9. - С. 7-11

3. Козел А. М., Борисовец В. А., Репко А. А. Горное давление и способы поддержания вертикальных стволов.- М.: Недра, 1976. 293 с.

4. Опарин В. Н., Тапсиев А. П. О некоторых закономерностях трещинообразования вокруг горных выработок // В сб.: "Горные удары, методы оценки и контроля удароопасности массива горных пород. Фрунзе: Илим, 1979, С. 342-349

5. Опарин В. Н., Елисоветский И. Я. О некоторых закономерностях в напряженно-деформированном состоянии окрестности горных выработок // В сб.: "Геофизические методы контроля напряжений в горных породах". Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980, С. 106-112

6. Зборщик М. П., Малярчук А. М., Морозов А. Ф. Электромагнитный контроль трещиноватости слоистого массива горных пород вокруг выработок // В сб.: Геофизические методы контроля напряжений в горных породах.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980, С. 139-143

7. Зборщик М. П., Морозов А. Ф. Механизм разрушения слоистых пород и взаимодействие их с крепью полевых подготовительных выработок // II Всесоюз. конф. Проблемы механики подземных сооружений: Тез. докл. -Тула: ТПИ, 1982, С. 110-112

8. Кузнецов Ю. С. Устойчивость горных выработок на удароопасных участках рудников "Октябрьский" и "Таймырский" Норильского ГМК // В сб.: Устойчивость и крепление горных выработок.- Л.: ЛГИ, вып. 7, 1981, С. 62-69

9. Кузнецов Ю.С. Исследование влияния горно-геологических факторов на проведение и поддержание капитальных выработок глубоких горизонтов Октябрьского и Талнахского месторождений: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л., 1983.- 18 с.

10. Шахтные исследования характера разрушения слабых пород на шахтах Западного Донбасса / Шмиголь А. В., Кириченко В. Я., С. К. Бучатский, В. Н. Рева // Шахтное строительство.- 1987. №5 - С. 11-12

11. О механизме пучения почвы выработок, сооружаемых в слабых породах / В. Я. Кириченко, А. В. Шмиголь, В. Н. Рева // Шахтное строительство. 1988. - №11. - С. 3-5

12. Поддержание выработок на шахтах ПО "Павлоградуголь"/ Л. К. Нейман, В. Н. Рева, А. В. Шмиголь, В. Я. Кириченко // ЦНИЭИуголь, обзор. -М., 1991.-80 с.

13. Морозов А. Ф., Юскевич А. М. Флуктуации зональной дезинтеграции осадочных пород вокруг подготовительной выработки // Уголь Украины. 1991. - №7. - С. 36-39

14. Морозов А. Ф. Повышение устойчивости интенсивно деформирующихся подготовительных выработок глубоких шахт: Автореф. дис. . д-ра. техн. наук. М., 1992.- 30 с.

15. Исследование явления зональной дезинтеграции вокруг горных выработок в изолиниях / А.Д.Алексеев, А.Ф.Морозов, К.Л.Метлов, Л.С.Метлов // X Междунар. конф. по механике горных пород: Тез. докл. -М., 1993. С. 22

16. Жукова С. Г., Бибосынов Ж. Б. Кинематика пород в окрестности подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ // Ин-т горн.дела АН КазССР, Алма-Ата, 1987, 9 с. (Рук. деп. в ВИНИТИ, 07.05. 87,3309-В87)

17. Деформирование массива пород вокруг выработок, расположенных в зонах ПГД / Мельников О. И., Мухин Н. А., Петренко С. И., Тимохин А. Н. // В сб.: Проблемы горного давления С.-Петерб.: ВНИМИД991, С. 199-204

18. Черняк И. JI. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993.-256 с.

19. Черняк И. Д., Зайденварг В. Е., Кузьмин О. Ю. О периодическом проявлении горного давления в одиночных выработках // Уголь. 1991. -№1. - С. 11-13

20. Зайденварг В. Е. Геомеханическое обоснование и реализация направления повышения эффективности ведения подземных горных работ// Автореф. дис. . докт. техн. наук. М., 1994. - 33 с.

21. Зональная дезинтеграция породы вокруг горных выработок на больших глубинах / Тропп Э. А., Розенбаум М. А., Рева В. Н., Глушихин Ф. П. // Физ.-техн. ин-т АН СССР им. А. Ф. Иоффе. Препринт №976, 1985 . -34 с.

22. Новые закономерности разрушения горных пород вокруг выработок /Глушихин Ф. П., Шклярский М. Ф., Рева В. Н. и др. // Шахтное строительство. 1986.- №2- С. 11-14

23. Шклярский М. Ф., Иванова Н. А. Экспериментальная оценка влияния нарушенности массива на устойчивость штрекообразных выработок // В сб.: Управление деформациями горного массива. JL: ВНИМИ, 1986, С. 87-91

24. Моделирование в геомеханике /Глушихин Ф. П., Кузнецов Г. Н., Шклярский М. Ф. и др. М.: Недра, 1991. - 240 с.

25. Глушихин Ф. П., Рева В. Н., Розенбаум М. А. Особенности разрушения горных пород на больших глубинах // В сб.: Свойства горного массива и управление его состоянием С.-Пб.: ВНИМИ, 1991, С. 199-204

26. Особенности деформирования массива каолинизированных пород / А. А. Чехович, В. Н.Карпов, В. Ф.Ляхов и др. // Горный журнал. 1988.-№2, С.37-38

27. Лавриненко В. Ф., Лысак В. И. Экспериментальное изучение механических и температурных напряжений вокруг выработок //Разработка рудных месторождений (Киев). 1986.- №42.- С. 8-14

28. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. 4.1: Данные натурных наблюдений / Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л., Курленя М. В, Опарин В. Н. и др. // ФТПРПИ. 1986. - №3,- С. 3-15

29. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. 4.2: Разрушение горных пород на моделях из эквивалентных материалов / Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л., Курленя М. В., Опарин В. Н. и др.//ФТПРПИ. - 1986. - №4.- С. 3-12

30. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч.З: Теоретические представления / Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л., Курленя М. В., Опарин В. Н. и др. // ФТПРПИ. 1987. - №1. - С. 3-8

31. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. 4.4: Практические приложения/ Шемякин. Е. И., Фисенко Г. Л., Курленя М. В., Опарин В. Н. и др. // ФТПРПИ. - 1989. - №4. - С. 3-9

32. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок /Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л., Курленя М. В., Опарин В. Н. и др. //ДАН СССР. т. 289. - №5,- 1986.- С. 1088-1094

33. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок. Открытие № 400, БИ, №1, 1992, С.З

34. Бадтиев Б.П., Рева В.Н., Розенбаум М.А. Проявления горного давления в выработках, проводимых в трещиноватых породах// Горный журнал, 1999, №10, с. 13-16

35. Бадтиев Б.П., Рева В.Н., Розенбаум М.А.Поддержание горных выработок глубоких рудников Норильска при условии зональногоразрушения пород // Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сб. научн. тр. СПб: ВНИМИ, 1999, с. 175-178

36. Емельянов Б.И., Лушпей В.П., Макаров В.В. Механизм деформирования массива блочной структуры и управление устойчивостью обнажений очистных выработок в условиях рудника им.Матросова // Механика подземных сооружений. Тула: ТПИ, 1982, с. 13 9-144.

37. Макаров В.В., Горланова Н.А., Звонарев М.И. О зональном деформировании массива горных пород вокруг горных выработок / Механика подземных сооружений. Тула, ТПИ, 1989, с. 116 125

38. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. - 224 с.

39. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985. - 252 с.

40. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1982. - 301 с.

41. Сизов И. А. Изменение во времени напряженно-деформированного состояния вокруг подземной выработки в твердой среде с неоднородностями// В сб.: Аналитические и численные методы исследования в механике горных пород. Новосибирск: ИГД, 1986. - С. 32-35

42. Ревуженко А. Ф. О напряженно-деформированном состоянии разупрочняющегося массива вокруг горной выработки//ФТПРПИ. 1978.-№2.С. 10-20

43. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М.: Недра, 1984. - 232 с.

44. 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

45. Ревуженко А. Ф., Лавриков С. В. Модель и краевые задачи для горного массива как среды с внутренними источниками и стоками энергии // Тезисы докл. X Междунар. конф. мех. горн, пород. М., 1993. - С. 29-30

46. Ревуженко А.Ф. Функции со структурой математические объекты для описания пластической деформации твердых тел // Известия вузов. Физика, - 1995.-№11.- С. 70-85

47. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / В.Е.Панин, Ю.В.Гриняев, В.И.Данилов и др. Новосибирск: Наука, 1990. -255 с.

48. Панин В. Е. Волновая природа пластической деформации твердых тел// Известия вузов. Физика. 1990. - т. 33. - № 2. - С. 4 - 18

49. Кадич А., Эделен Д. Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций М.: Мир, 1987. - 168 с.

50. Макаров В.В., Гузев М.А. Механизм зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок, "Геодинамика и напр. сост. недр Земли", Новосибирск, ИГД СО РАН, 1999, с. 120-125

51. Гузев М.А., Парошин А.А. Неевклидовая модель зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок// ПМТФ, 2000, №3, с.181-195

52. Косевич А. М. Теория кристаллической решетки (Физическая механика кристаллов). Харьков, 1988.-304 с.

53. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургиздат, 1984. 280 с.

54. Ханнанов Ш. X. Коллективные эффекты в ансамбле взаимодействующих микротрещин// Физика мет. и металловед. 1990. - т. 69. - № 4. - С. 30 - 38

55. Владимиров В. И. Основы физики разрушения твердых тел // В сб.: Физическ. основы прогнозир. разруш. горн, пород при землетрясениях. М., 1987,- С. 12-26

56. Владимиров В. И., Добрина Е. А., Перцев Н. А. Коллективные эффекты упругого взаимодействия в ансамблях микротрещин// Физ.-техн. ин-т АН СССР. Препринт. 1987. - № 1120. - С. 1-20

57. Контурное взрывание в угольных шахтах / Таранов П. Я., Гарцуев Е. М., Гудзь А. Г. и др. Донецк: Донбасс, 1972. - 89 с.

58. Макаров В. В., Горланова Н. А., Звонарев М. И. О зональном деформировании массива горных пород вокруг горных выработок//Механика подземных сооружений.- Тула: ТПИ, 1989. С. 116-125

59. Макаров В. В., Емельянов Б. И., Звонарев М. И. Особенности формирования зон компрессии и дилатансии в массиве горных пород вокруг выработок // В сб.: Вопросы разработки месторождений Дальнего Востока. -Владивосток: ДВПИ, 1990. С. 35-42

60. Макаров В. В. Зональное деформирование горных пород вокруг выработок и в образцах //Тезисы докл. X Международн. конф. по мех. горн, пород. -М., 1993. С. 6

61. Макаров В. В. О зональном деформировании горных пород вокруг одиночных капитальных выработок//Механика подземных сооружений. -Тула: ТПИ, 1995.-С. 92-96

62. Макаров В. В. О зональном деформировании массива горных пород вокруг капитальных выработок/Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности". Тула: ТулГУ, 1997. - С. 291-294

63. Гольдштейн Р. В., Ладыгин В. М., Осипенко Н. М. Модель хрупкого разрушения слабо пористого материала при сжатии и растяжении// ФТПРПИ. 1974- №1,- С. 3-13

64. Гольдштейн Р. В. Структуры разрушения // ИПКОН АН СССР, препринт № 110, 1978. 59 с.

65. Гольдштейн Р. В. , Осипенко Н. М. Иерархия структур при разрушении// ДАН. 1992. - т. 325. - № 4. - С. 735 - 739

66. Шемякин Е. И. Новые задачи механики горного массива // Будущее горной науки. -М.: Наука, 1989. С. 34-45

67. Одинцев В. Н. Отрывное разрушение и зональная дезинтеграция массива вблизи глубоких выработок // Тезисы докл. X Междунар. конф. по мех. горн, пород. М.: ИГД, 1993. - С. 30

68. Одинцев В. Н.,Трофимов В. А. Компьютерное моделирование развития трещин отрыва вблизи обнажения в глубокой выработке/ЛГезисы докладов X Междунар.конф.по мех.горн.пород.-М.: ИГД,1993.- С. 30-31

69. Рева В. Н., Тропп Э. А. Упруго-пластическая модель зональной дезинтеграции окрестности подземной выработки // В сб.: Физика и механика разруш. горн, пород примен. к прогнозу динам, явлений. С.-Пб.: ВНИМИ, 1995.-С. 125-130

70. Об одном автоволновом механизме релаксации сложного напряженного состояния вокруг горных выработок / А. Д. Алексеев, JI. С. Метлов, А. Ф. Морозов и др. // Физ. и техн. высокого давления ( Киев).-1993.- т.З.- № 3.-С.80-85

71. Метлов Jl. С. Возникновение локализованных состояний при релаксации напряжений в горных породах// Тезисы докл. X Межд. конф. по мех. горн, пород. М.: ИГД, 1993. - С. 22-23

72. Метлов Л. С. Механическая модель зональной дезинтеграции // Физика и техн. высоких давления (Киев). 1995. - № 1. - С. 57-63

73. Синергетические модели зональных дезинтеграционных явлений/ А. Д. Алексеев, А. Ф. Морозов, Л. С. Метлов и др. //Матер. Междун. конфер. "Эффект, и безопасн. подземн. добыча угля на база совр. дост. геомеханики". С.-Пб., 1996. - С. 81-84

74. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение. -М.: Мир, 1990.-344 с.

75. Пономарев В. С. Структуры самопроизвольного разрушения в горных породах// В кн.: Изучение тектонических деформаций. М., 1987. - С. 117- 136

76. Дмитриев В. А. Формирование зон упругого восстановления и зон сжатия вокруг горных выработок // Уголь. 1983. - № 12. - С. 32-38

77. Дмитриев В. А. Влияние ширины выработки, глубины работ и крепи на проявление горного давления // Уголь. 1992. - № 4. - С. 9-13

78. Чанышев А. И. К исследованию явления зональной дезинтеграции горных пород//Напряженно-деформированное состояние массива горных пород. Новосибирск: ИГД, 1988. - С. 3-8

79. Явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия / М. В. Курленя, В. Н. Опарин, В. В. Адушкин и др. // Мех. горн, и строит, машиноведения, технол. горн, работ. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1993.-С. 3-7

80. Тамуж В. П., Куксенко В. С. Микромеханика разрушения полимерных материалов.- Рига:3инатие, 1979. 294 с.

81. 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

82. Мельников О. И., Рева В. Н. Волновой характер неоднородностей вблизи выработок // Проектир. и реконстр. угольн. предпр. № 8. - 1974. -С. 25-26

83. Мясников В.П. Уравнения движения упругопластических материалов при больших деформациях // Вестник ДВО РАН, 1996,№4,С. 8-13

84. С. де Гроот, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. - 524 с.

85. Adams G.R., Jager A.J. Petroscopic observation of rock fracturing ahead of stop faces in deep-level gold mines//J. South African Inst. Mining and Metallurgy, 1980, vol. 80, № 6, p.204-209

86. Malkowski P. Cracking near the openings/ Int. Conf. EUROCK2005, Brno, Chech. Rep. 17-20 June, 2005, pp. 120-132

87. Bai Shiwei, Gu Zhimeng Deformation monitoring of galleries in fractured rockmass and research on failure mechanism of surrounding rocks // Proc. Int. Symp. Eng. Сотр. Rock Form. Beijing, 3-7 Nov. 1986, p.909-914.

88. Xu Yuhyao Integral movement of with surrounding rock project and character of two opposite radial points moving in same direction // "Ioeoai njoyaai. J. China Coal Soc." 1989, N 2, p.47-56

89. Swanson Peter L., Pretzler Hartmut Ultrasonic probing of the fracture process zone in rock using surface waves // Rock Mech. Prod, and Prot. Proc. 25th Symp. Rock Mech. New York, 1984, p.67-76

90. Reches Z. Evolution of fault patterns clay experiment // Techtonophysics, 1988, v.145, 4-2, p.141-156

91. Darot M., Guequen Y. Slow crack growth in minerals and rocks: theory and experiments // Pure and Appl. Geophys., 1986, v.124, 4-5, p.677-692

92. Nishioka Т., Furutani Y. An alternative method for analysis of a group of interacting multiple elliptical cracks in infinite solid // JSME Int. J., 1987, v.30, 1 266, p. 1221 1228

93. Zhou Ch., Guan Ch. Stress concentration and stress intensity factors for elliptic holes and cracks in an infinite plane // Proc. ICF Int. Symp. Fract. Mech., Beijing, 1984, p. 312-318

94. Kachanov M. On crack mickrocrack interactions // Int. J. Fract., 1986, v. 30, 1 4, R65 - R72

95. Rose L.R.F. Microcraclc interaction with a main crack // Int. J. Fract., 1986, v. 31, !3,р.233 -242

96. Page R.A., Chan K.S. Stochastic aspects of creep cavitation in ceramics // Met. Trans. A., 1987, v.18, '7-12, p.1843-1854

97. Reynolds O. On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact.- Philos. Mag., 1885, ser.5, v.20, 427

98. Quasi-Static Fault Growth and Shear Fracture Energy in Granite / D. A. Lockner, J. D. Byerlee, V. Kuksenko etc. //Nature, 1991,№1, p.p. 323-339

99. Makarov V.V. and Bulychev N.S. Investigation of rock failure anomalous phenomena// Proc. 1st Int. Conngr. of "Mesomechanics", Tel-Aviv, 1998, p.278

100. Shaoquan Kon, Aim O. Effect of microcracks on the strength of granite // Structure Failure, Prod. Liabil. and Techn. Insur. Proc. 2nd Int. Conf., 1987, p.709-717

101. Napier J.A.L. Simulation of fracture growth around opening in highly stressed brittle rock // J. South Afr. Inst. Mining and Met., 1992, vol. 92, 1 6, p. 159168

102. Rogovwski Bogdan A transversely isotropic medium weakened by an array of annular cracks // Zesz. nauk. Plodz. Bud., 1986, *36, p.39-51

103. Stacey T.R., Jough C.L. Stress fracturing around a deep-level bored tunnel // J. South African Inst. Mining and Metallurgy, 1977, v.78, 1 5, p. 124 133

104. Kinra V.K. Stress waves emitted during brittle fracture // "Fragm. Form and Fract. Media". Bristol, 1986, p. 368 - 387

105. Analysis of the internal structure of rocks and characterisation of mechanical deformation by a non-destructive method: X-rey tomodensitometry//

106. Raynaud S., Fabre D., Mazerolle F. etc. / Techtonophysics.- 1989, v.159, 1 1-2, p. 149- 159

107. Zang A., Berchemer H. Residual stress features in drill cores // Geophys. J. Int., 1989, v.99,1 3, p. 621 626

108. Periodic variations of defect structures in deformed crystals // J. Phys. D.: Appl. Phys., 1989, v. 22, 1 4, p. 519 526

109. Rubinstein A.A., Sadegh A.M. Analysis of a crack emanating from a circular hole in a loaded plane // Int. J. Fract., 1986, v. 32, 1 1, p. 47 57

110. Gethner J.S. The determination of the void structure of microporous coals by small-angle neutron scatting: void geometry and structure in Illinois No. 6 bituminous coal //J. Appl. Phys., 1986, v.59, 1 4, p. 1068 1085

111. A Jl(Vyy-ro)-Yl(VTy-bl) Yl(V^-ro)-Jl(Vyy-bl) Аа -c-(Kl(>/7y-ro)-Yl(V^-bl) - Yl(V^-ro)-Kl(V^-bl)) Ab -c-(jl(Vyy-ro)-Kl(Vyy-bl) - KlG/yy-ro)jl(Vyy-bl)) Aaa <-Aк Ab b<- —m <—-yy-(l -V2) 3rM.-v2)

112. R175 a-J0(Vyy-1.75) + b-Yo(^-1.75) + с-Ко(л/гу-1.75)count) ccc <—yy ^cc vR175ycount <- count + 1ccc

113. Программа подбора параметра с.

114. А <- Jl(Vy-r0)-Yl(Vy-bl) Yl(Vy-r0)-Jl(Vy-bl)

115. Aa <--сс- (Kl(^-ro)-Yl(Vy-bl) Yl(^-ro)-Kl(^-bl))