авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Прогнозирование прочности и устойчивости горных пород по фрактальной размерности линии контура подземных выработок

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СОКОЛОВ Василий Владимирович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕРНОСТИ ЛИНИИ КОНТУРА ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель – доктор технических наук,

профессор

Латышев Олег Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Зотеев Олег Вадимович

кандидат технических наук,

Аксенов Анатолий Аркадьевич

Ведущая организация – ГОУ ВПО « Магнитогорский

государственный технический

университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 17 июня 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу : 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Уральского государственного горного университета

Автореферат диссертации разослан «16» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Важнейшей задачей проектирования разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом является обеспечение устойчивости горных выработок. Решению данной задачи посвящены многочисленные научные исследования, основные результаты которых нашли отражение в Строительных нормах и правилах (СНиП). Однако, по общему признанию, единой работоспособной теории устойчивости пород в выработках до настоящего времени не создано, что обусловлено неисчерпаемым многообразием как инженерно-геологических особенностей породных массивов, так и технологии строительства подземных выработок. Рекомендации СНиП носят лишь самый общий характер, и в них прямо указывается на необходимость дополнительных исследований факторов, определяющих устойчивость пород в выработке.

Критерии устойчивости горных пород основаны, как правило, на сопоставлении прочности породного массива и напряжений на контуре выработки. Для обоснованного использования результатов лабораторного изучения прочностных характеристик пород необходимо учитывать влияние влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости породного массива на его прочность. Величина действующих напряжений определяется их концентрацией на контуре горной выработки. Действие данных факторов имеет вероятностную природу, что необходимо учитывать при оценке устойчивости горных пород в выработке.

Таким образом, тема представленной диссертации, направленной на изучение указанных вопросов, является актуальной.

Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Изучение последствий и теоретические основы прогноза изменения геологической среды при подземных техногенных воздействиях» (задание Федерального агентства по образованию 1.13.05, 2005-2007 гг.); «Исследование физико-механических свойств скальных грунтов на шахтах «Северная вентиляционная», «Южная вентиляционная», «Скиповая», «Клетевая» подземного рудника Юбилейного месторождения» (хоздоговорная НИР № 36-214-07).

Объект исследований – горные породы и породные массивы месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых подземным способом.

Предмет исследований – закономерности изменчивости прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках.

Цель работы – повышение оперативности и достоверности прогноза устойчивости горных пород в подземных выработках.

Основная идея работы заключается в использовании паспорта прочности как меры нарушенности пород и фрактальной размерности линии контура горных выработок для оценки устойчивости горных пород.

Задачи исследований:

1. Исследование комплекса свойств и трещиноватости горных пород Юбилейного месторождения.

2. Анализ паспорта прочности как характеристики нарушенности горных пород.

3. Изучение влияния горного давления, влажности, масштабного эффекта и трещиноватости горных пород на прочность породных массивов.

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

5. Совершенствование методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке с вероятностных позиций.

Методы исследований: современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных пород; оценка результатов с позиций математической статистики и теории вероятностей; аналитические исследования закономерностей разрушения пород в выработке на основе классических представлений физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Положение касательной к огибающей предельных кругов напряжений Мора с абсциссой равной 70 % от прочности при сжатии служит характеристикой изменения нарушенности пород под нагрузкой и определяет параметры паспорта прочности, соответствующие непосредственно измеряемым величинам сцепления и угла внутреннего трения горных пород.

2. Прочностные характеристики породного массива определяются паспортом прочности, метод построения которого основывается на комплексной оценке влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости пород на их свойства.

3. Фрактальная размерность линии контура горной выработки достоверно описывает степень его технологических неровностей и в этом качестве служит надежной оценкой коэффициента концентрации напряжений.

4. Методика прогнозирования устойчивости горных пород в выработке, основанная на комплексном учете влияния физических полей, масштабного эффекта и трещиноватости породного массива на его прочность, позволяет оценивать вероятность разрушения пород при коэффициенте концентрации напряжений, определяемом фрактальной размерностью линии контура выработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивается достаточным (для принятой надежности 95 %) объемом экспериментальных исследований; удовлетворительным (в пределах естественного разброса данных) соответствием аналитических и экспериментальных результатов оценки прочностных характеристик горных пород и масштабного эффекта; использованием результатов шахтных наблюдений по оценке неровностей контура горных выработок и коэффициента концентрации напряжений.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- Разработана процедура анализа паспортов прочности, отличающаяся тем, что в качестве меры нарушенности горных пород при изменении нагрузки используется уравнение касательной к огибающей предельных кругов напряжений в точке с абсциссой 0,7 сж.

- Обоснован метод прогнозирования прочности породного массива, отличительной особенностью которого является комплексный учет влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости на характеристики паспорта прочности пород.

- Впервые предложен и обоснован метод оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

Практическая значимость работы заключается в обосновании методов и компьютерных программ анализа паспорта прочности, позволяющих определить значения сцепления и угла внутреннего трения, соответствующих результатам их непосредственного измерения и учитывающих влияние горного давления, влажности, масштабного эффекта и трещиноватости пород; в разработке метода определения коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки по его фрактальной размерности; в разработке методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке, позволяющей с вероятностных позиций оценить соотношение прочности породного массива и действующих напряжений.

Личный вклад состоит в непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях свойств пород Юбилейного месторождения, в интерпретации шахтных наблюдений для оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальным характеристикам линии контура горных выработок, в постановке и проведении опытных и аналитических исследований влияния различных факторов на прочностные характеристики горных пород, в получении основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Методика прогнозирования устойчивости и разрушения горных пород в подземных выработках, включающая методы анализа паспортов прочности и оценки коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки, переданы для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ».

Теоретические результаты по анализу паспортов прочности горных пород, масштабному эффекту и вероятностной оценке устойчивости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород». Автор непосредственно участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении.

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 ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета – Екатеринбург (2008-2010 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Объем и структура работы.

Объем диссертации составляет 138 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 18 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 112 наименований и приложений.

В главе 1 на основе анализа современных методов и средств прогнозирования устойчивости горных пород в подземной выработке поставлена цель и обоснованы задачи исследований.

В главе 2 приводятся результаты изучения свойств горных пород Юбилейного медноколчеданного месторождения, их статистический анализ и классификация; на основе изучения влияния трещиноватости на свойства пород обосновывается метод анализа и построения паспорта прочности пород.

В главе 3 дается анализ влияния на свойства пород горного давления, влажности, масштабного фактора, блочного строения и трещиноватости породного массива; обосновываются рекомендации по оценке коэффициента структурного ослабления горных пород в массиве.

В главе 4 обсуждаются критерии устойчивости горных пород в выработке, обосновывается метод оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальным характеристикам линии контура горной выработки; формулируется методика прогнозирования устойчивости горных пород.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю, а также И. С. Осипову и В. В. Сынбулатову за дружеское участие и помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Решение вопроса устойчивости горных пород в выработках является неотъемлемой частью проектирования строительства шахт и подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Рекомендации в этой части Строительных норм и правил (СНиП) основаны на многочисленных исследованиях (И. В. Баклашов, Н. С. Булычев, В. Т. Глушко, Б. А. Картозия, Ю. М. Либерман, Г. Г. Литвинский, И. М. Петухов, М. М. Протодьяконов, А. Г. Протосеня, К. В. Руппенейт, А. Н. Ставрогин, И. А. Турчанинов, П. М. Цимбаревич, А. Н. Шашенко и др.) и являются регламентирующим документом для проектирования. Анализ состояния вопроса позволяет заключить, что при всем многообразии подходов к решению проблемы общепризнанным критерием устойчивости является допустимое соотношение прочности породного массива и действующих напряжений.

Представленные в работе результаты базируются на обширной базе данных кафедры шахтного строительства УГГУ по свойствам горных пород и инженерно-геологическим условиям различных месторождений Урала, а также на собственных исследованиях автора по изучению свойств и состояния пород Юбилейного месторождения.

Для получения обоснованных выводов разработана процедура и выполнена классификация изученных пород Юбилейного месторождения (более 100 литотипов) на основе анализа законов распределения характеристик пород и использования инструментов дисперсионного анализа и статистической проверки гипотез. Выполнен тренд-анализ распределения свойств горных пород по глубине их залегания.

Комплексной характеристикой разрушаемости скальных пород служит их паспорт прочности, представляющий собой нелинейную огибающую предельных кругов напряжений Мора. Положение огибающей определяет такие важные для проектирования параметры, как сцепление и угол внутреннего трения горных пород. Анализ применяемых в настоящее время уравнений огибающей, основанных на экспериментально измеренных значениях прочности пород при растяжении р и сжатии сж, показывает, что они дают явно завышенные значения угла внутреннего трения . Так, широко используемое уравнение гиперболы = max[(вр + )2/((вр+ )2 + a2)]3/8 (М. М. Протодьяконов), при сж/р > 3 (а это справедливо практически для всех скальных пород) дает угол всегда больше 45 градусов. Если воспринимать коэффициент трения пород как fтр = tg , то углы > 450 вообще недопустимы, поскольку при этом fтр > 1.

В этой связи представляется плодотворной концепция Г. Г. Литвинского, названная им «аналитической (дифференциальной) теорией прочности». Она основывается на гипотезе о том, что разрушение сдвигом определяется наличием двух видов трения – сухого и когезионного (жидкостного). Аналитическое представление огибающей в этом случае описывается уравнением:

= 0 (/0 + 1), (1)

где 0 = 0 f – сцепление, которое интерпретируется автором как произведение когезии разрыва 0 (т. е. удельной силы взаимодействия атомов горной породы), на коэффициент трения f = tg с ( где с– угол внутреннего трения при сжатии). Показатель степени (0<< 1), названный коэффициентом хрупкости, характеризует долю сухого трения. При = 0 сухое трение полностью отсутствует и материал идеально пластичен; при = 1 трение полностью сухое и наблюдается идеально хрупкое разрушение. Предлагаемая методика построения паспорта прочности опирается на априори известное значение угла внутреннего трения с горной породы. Однако величина с достаточно изменчива и нуждается в непосредственном определении для конкретной породы.

Анализ теории и многочисленных экспериментальных данных позволяет нам сформулировать следующий подход. По сути вышеуказанной концепции показатель с, который назван углом внутреннего трения при сжатии, должен определяться в точке огибающей, соответствующей некоторому сжимающему усилию. В общем виде уравнение огибающей можно представить в виде: = [К(р + )]1/2, где показатель формы кривой в соответствии с уравнением Рихтера К = 2р – 2[р(р + сж)]1/2 + сж. Уравнение касательной к огибающей в точке с абсциссой i = X запишется в виде:

(2)

Для определения координаты Х выполнена серия испытаний пород Юбилейного месторождения на срез со сжатием. Установлено, что экспериментальные значения угла внутреннего трения достаточно точно (в пределах доверительного интервала) соответствуют расчетным значениям 0 = = arctg (K/20) в точке с абсциссой i = = X = 0,7сж.

Установлено (А. Н. Ставрогин и др.), что для скальных пород при >  сж график нелинейной огибающей практически вырождается в прямую линию, т. е. ее угол наклона остается постоянным. В этой связи выражение (2) при i = X = 0,7сж можно рассматривать как уравнение наклонной асимптоты огибающей предельных кругов напряжений. Ее положение определяет нарушенность горных пород и ее изменение при различных нагрузках. Если перенести асимптоту в точку с ординатой с, то разность ординат огибающей и линии А (заштрихованные участки на рис. 1) будет соответствовать изменению прочности породы за счет смыкания или раскрытия трещин. Действительно, в правой части графика по мере роста сжимающих напряжений происходит все большее закрытие трещин, и в пределе при полностью закрытых трещинах огибающая сливается с асимптотой. В левой части графика, напротив, происходит раскрытие трещин, и при некотором растягивающем напряжении происходит разрушение породы. Это напряжение соответствует прочности при одноосном растяжении р. Разница в ординатах прямых А и В соответствует изменению предельных касательных напряжений за счет сближения (при сжатии) или удаления (при растяжении) атомов в узлах кристаллической решетки. Таким образом, график огибающей кругов напряжений Мора в координатах [ -A] можно интерпретировать как характеристику трещиноватости пород в зависимости от величины действующих напряжений.

Параметр в уравнении паспорта прочности (1) зависит от степени трещиноватости (дефектности) горной породы, которую предлагается (Л. М. Качанов) учитывать показателем сплошности горных пород . Данный показатель (0 < < 1) можно трактовать как отношение истинной площади сечения минерального скелета горной породы (т. е. за исключением площади сечения трещин и пор) S0 к общей площади образца S. В соответствии с предложенной выше интерпретацией асимптоты огибающей, мерой нарушенности и оценкой параметров и может служить отношение:

kс = S/S0 = 0/с. (3)

Опытная величина сцепления с определится точкой пересечения огибающей предельных кругов напряжений с осью ординат. Истинное значение 0 как предельной величины прочности на срез при полностью сомкнутых трещинах может быть найдено по асимптоте огибающей (см. рис. 1, уравнение (2)). Корреляционный анализ, выполненный для базальтов Юбилейного месторождения, показал существование надежной зависимости, которую можно описать уравнением:

= 0,63 + 0,16 ln (1/kс). (4)

Близкий к единице коэффициент корреляции линеаризованного уравнения связи (R = 0,997) позволяет надежно использовать данную зависимость при анализе и построении паспортов прочности горных пород.

Таким образом, положение касательной к огибающей предельных кругов напряжений Мора с абсциссой 0,7сж служит характеристикой изменения нарушенности пород под нагрузкой и определяет параметры паспорта прочности, соответствующие непосредственно измеряемым величинам сцепления и угла внутреннего трения горных пород.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.