Исследование деформационных и реологических свойств горных пород и массивов для прогноза устойчивости подземных выработок с учетом их фрактальной геометрии

Актуальность темы

.

Проектирование горной технологии базируется на информации о комплексе свойств горных пород и породных массивов. При разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом важнейшей задачей является обеспечение устойчивости горных пород в выработке. Решению данной задачи посвящены многочисленные научные исследования. Однако, по общему признанию, единой работоспособной теории устойчивости пород в выработке до настоящего времени не создано. Поэтому основным инструментом проектировщиков являются рекомендации Строительных норм и правил (СНиП), которые изобилуют многочисленными и нередко весьма неопределенными коэффициентами. В этой связи составители СНиП прямо указывают на необходимость дополнительных исследований факторов, определяющих устойчивость, и прежде всего свойств и состояния породных массивов.

Расчет устойчивости и нагрузки на крепь выработок в зависимости от горно-геологических условий производится по одной из схем — заданной нагрузки и заданной деформации. В первом случае определяющим фактором является соотношение действующих напряжений и прочности массиваво втором — главную роль играют деформационные и реологические характеристики пород. Указанные свойства определяются, как правило, в лабораторных условиях на образцах. В этом случае необходимой задачей является прогноз свойств и состояния породного массива на основе учета влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта, трещинной структуры массива. Достоверность прогноза обеспечивается сопоставлением лабораторных исследований с результатами непосредственных (натурных) испытаний породного массива.

В этой связи тема представленной диссертации, направленной на изучение указанных вопросов, является актуальной.

Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства», в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы- «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры» (задание Федерального агентства по образованию, 2011;2013 гг.).

Объект исследований — горные породы и породные массивы, разрабатываемые подземным способом.

Предмет исследований — закономерности изменчивости прочностных и реологических характеристик массивов при оценке устойчивости горных пород в подземных выработках.

Цель работы — повышение надежности прогноза свойств и состояния породных массивов при решении вопросов устойчивости подземных выработок.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей формирования механических свойств породного массива для оценки устойчивости подземных выработок с учетом фрактальной размерности линии их контура.

Тема исследования соответствует паспорту специальности 25.00.20 (пп. 3,.

5).

Задачи исследований:

1. Изучение комплекса свойств и состояния горных пород применительно к условиям Екатеринбургского метрополитена и Юбилейного месторождения.

2. Установление закономерностей влияния физических полей, масштабного эффекта и трещинной структуры горных пород на их прочностные, деформационные и реологические характеристики.

3. Анализ и разработка методики оценки деформационных характеристик породного массива по результатам скважинных исследований дилатометром.

4. Разработка метода оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

5. Совершенствование методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке с учетом деформации и реологии массива.

Методы исследований: современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных породанализ результатов натурных исследований деформации массивастатистическая оценка результатов с позиций теории вероятностей и теории информациианалитические исследования устойчивости пород в выработке на основе классических представлений физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Фрактальная кластерная размерность является надежной оценкой динамики развития трещин, определяющих прочностные и деформационные свойства горных пород.

2. Методика анализа механических свойств породного массива основана на скважинных исследованиях дилатометром и использовании в качестве прогнозного критерия линии разгрузки массива.

3. Прогноз устойчивости подземных выработок по схеме с заданной деформацией основывается на определении фрактальных характеристик контура выработок и трещиноватости породного массива.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивается достаточным (для принятой надежности 95%) объемом экспериментальных исследованийудовлетворительным (в пределах естественного разброса данных) соответствием аналитических и экспериментальных результатов оценки прочностных, деформационных и реологических характеристик горных породиспользованием результатов скважинных исследований массива, шахтных наблюдений по оценке неровностей контура горных выработок и коэффициента концентрации напряжений.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

— Установлены закономерности формирования деформационных и реологических характеристик пород, обусловленные динамикой развития трещин, в качестве критерия оценки которой впервые обоснована фрактальная кластерная размерность.

— Разработана методика анализа результатов скважинных исследований породного массива с помощью дилатометра, отличающаяся выделением стадий деформирования по результатам дисперсионного анализа и использованием в качестве прогнозной оценки линии разгрузки массива.

— Обоснована процедура прогнозирования прочности породного массива, отличительной особенностью которой является комплексный учет влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости на характеристики паспорта прочности пород.

— Обоснована методика оценки коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки, где в качестве прогнозной оценки используется фрактальная размерность линии ее контура.

— Разработана математическая модель и установлена зависимость площади контактов берегов трещины при деформировании массива от ее фрактальной размерности.

Практическая значимость работы заключается в обосновании методов и компьютерных программ анализа лабораторных и натурных экспериментов, позволяющих определить прочностные, деформационные и реологические характеристик породного массивав разработке методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке с учетом фрактальных характеристик трещиноватости массива и подземных выработок.

Личный вклад состоит в непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях свойств горных пород, в разработке методики анализа результатов скважинных исследований деформаций массивав компьютерном моделировании процесса деформации трещин, в исследовании фрактальных характеристик трещиной структуры пород, в получении основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Методика прогнозирования устойчивости и разрушения горных пород в подземных выработках, включающая методы анализа лабораторных и скважинных исследований деформационных свойств массива, определения фрактальных характеристик трещин и подземных выработок, передана для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ».

Теоретические результаты по анализу прочностных, деформационных и реологических свойств горных пород и массивов, оценке устойчивости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования — г. Екатеринбург, УрО РАН, 2009 г.- на III Уральском горнопромышленном форуме — г. Екатеринбург, УрО РАН, 2009 г.- на научно-технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» — г. Магнитогорск, МГТУ, 2010 г.- на III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» — г. Екатеринбург, УГГУ, 2010 г.- на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета — Екатеринбург (2009;2012 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных работах, из них 4 статьи — в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Объем и структура работы.

Объем диссертации составляет 179 страниц машинописного текста, включая 82 рисунка и 24 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований и приложений.

Выводы.

1. Выполненный прогноз устойчивости по схеме заданной нагрузки для условий Юбилейного месторождения позволил конкретизировать и уточнить рекомендации СНиП Н-94−80 по определению параметров, определяющих критерий устойчивости С и нагрузки на крепь.

2. Использование фрактальной размерности линии контура подземной выработки для прогноза концентрации напряжений позволяет повысить достоверность прогноза напряженно-деформированного состояния пород вокруг подземной выработки.

3. Разработанная математическая модель деформации трещины под действием нормальных (к линии трещины) и сдвигающих усилий является базой для оценки геометрической характеристики трещин и прогноза упругих характеристик трещиноватого породного массива.

4. Предложенная формула критерия устойчивости горных пород в подземных выработках позволяет дифференцировать массив по характеру НДС и производить оценку устойчивости подземных выработок и нагрузки на крепь по расчетной схеме заданных деформаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации в результате проведенных исследований дано решение актуальной научно-практической задачи прогноза устойчивости подземных выработок на основе установленных закономерностей формирования деформационных и реологических свойств горных пород и массивов с учетом их фрактальных характеристик, имеющее существенное значение для проектирования технологии строительства шахт.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования автором получены следующие научные и практические результаты:

1. Исследованы статистические характеристики комплекса плотностных и механических свойств горных пород Юбилейного месторождениявыполнен тренд-анализ их изменчивости по глубине месторождения.

2. Установлены закономерности формирования прочностных, деформационных и реологических свойств горных пород, учитывающие динамику изменения функции трещиноватости горных пород при их нагружении и фрактальную кластерную размерность трещинной структуры горных пород.

3. Разработана методика и компьютерная программа анализа результатов скважинных испытаний породного массива дилатометром, позволяющие прогнозировать основные характеристики массива: модули упругости породного массива и слагающих его горных пород, модулей пластичности и общей деформации.

4. Для оценки устойчивости подземных выработок произведен прогноз прочностных и деформационных характеристик массива путем учета влияния горного давления, влажности, масштабного эффекта и коэффициента структурного ослабления пород трещинами. По результатам произведены построения прогнозных диаграмм прочности породного массива по глубине.

5. Обоснована формула критерия напряженно-деформированного состояния породного массива, позволяющего оценить условия применимости расчетных схем определения устойчивости подземных выработок и нагрузки на крепь — по заданной нагрузке и заданной деформации.

6. Предложен и обоснован математическим моделированием и шахтными наблюдениями метод оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

7. По схеме с заданной нагрузкой на основании рекомендаций СНиП II-94−80 определены значения критерия устойчивости С и нагрузки на крепь ствола по условиям Юбилейного месторождения. При этом приведенные выше результаты исследований позволили конкретизировать многие коэффициенты СНиП, что повысило надежность прогноза.

8. На основе разработанной математической модели деформации трещины определены закономерности формирования упругих и реологических характеристик породного массивавыполнены расчеты устойчивости подземных выработок по схеме заданной деформации.

9. Методика прогнозирования устойчивости и разрушения горных пород в подземных выработках, включающая методы анализа лабораторных и сква-жинных исследований деформационных свойств массива, определения фрактальных характеристик трещин и подземных выработок, передана для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипрот-ранс», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ». Теоретические результаты по анализу прочностных, деформационных и реологических свойств горных пород и массивов, оценке устойчивости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород».