CC BY
26
------------------------------------------------ © А.М Демин, Б.К. Норель,
2008
УДК 622.236
А.М. Демин, Б.К. Норель
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ ГОРНОГО МАССИВА ВБЛИЗИ ВЫРАБОТОК
Приведены рекомендации, позволяющие составить определённую логическую схему последовательного изучения общих закономерностей большинства механических процессов, протекающих в массиве при ведении горных работ.
Совершенствование способов ведения подземных и открытых горных работ по добыче твёрдых полезных ископаемых, особенно в сложных горно-геологических условиях, неэффективно без фундаментального изучения сложных физических и механических процессов, таких как динамические и газодинамические явления, вывалы и обрушения, отжимы и пучения и другие проявления горного давления.
Однако существующие в настоящее время аналитические и экспериментальные методы исследования не позволяют описать значительный класс протекающих в массиве процессов, характерной чертой которых является реализация различных видов разрушений в породах кровли и горном массиве. Подобные процессы специфичны при формировании газодинамических и динамических ситуаций при разрушениях пород на сопряжениях различных выработок, при отжимах и т.д. Развитие теоретических методов анализа предусматривает более полное использование современных положений физики и механики деформируемых сред, экспериментальных данных лабораторных испытаний горных пород и натурных инструментальных наблюдений. Но определённый уклон в сторону применения численных методов моделирования с использованием ком-
Семинар № З
пьютерных систем, по нашему мнению, не способствует развитию физических представлений о закономерностях протекания процессов в массиве при ведении горных работ.
Как известно, «в решении любой прикладной задачи можно отчётливо выделить два этапа. На первом этапе создаётся математическая модель процесса и записываются соответствующие ей исходные соотношения - урав-нения задачи. Второй этап состоит в решении собственно математической задачи, которое может включать как получение количественных результатов, так и качественные выводы» [1].
В настоящем докладе приводятся именно «правдоподобные» рассуждения, позволяющие составить определённую логическую схему последовательного изучения общих закономерностей большинства механических процессов, протекающих в массиве при ведении горных работ. Рассмотрим последовательность анализа.
1. При натурных инструментальных наблюдениях установлены зоны влияния выработок и зоны частично разрушенных массивов горных пород. При проведении натурных экспериментов и выясняется, что, кроме плоскостей скольжения реализуются трещины отрыва. Довольно часто про-цесс отжима осущест-
вляется выдавливанием определённого объёма пласта, разделённого плоскостями, параллельными обнажению забоя (особенно на малопрочных пластах). Этот экспериментальный факт свидетельствует, во-первых, о формировании процессов доразрушения пласта в зоне разрушения, а во-вторых, о формировании зоны растягивающих деформаций (но не растягивающих напряжений!) в зоне отжима.
В области предельных состояний формируются зоны различных физических состояний среды с различными механическими и физическими свойствами. Условия нагружения пород в массиве вблизи горных выработок имеют обязательно пространственный характер, вид которого существенно меняется и от свойств среды, и от геометрических форм выработок. При этом становится ясным, что термин «горное давление» имеет скорее физический, чем механический смысл и его объяснение не всегда понятно в терминах механики горных пород.
2. Становится интересным проследить за характером разрушения образцов горных пород в лабораторных условиях, чтобы трансформировать эти результаты для объяснения физических процессов изменения состояния натурной среды. Серии испытаний различных видов горных пород на установках трёхосного неравнокомпонентного сжатия позволили установить зависимости трёх главных напряжений от трёх главных деформаций. Однако на каждую из диаграмм напряжений взаимно влияют две другие, что затрудняет выявление основных закономерностей деформирования. Закономерности выявляются, если изменения сложно-напряжённых и сложно-
деформированных состояний образцов при трёхосном нагружении разделить на три стандартных нагружения [2, 3] -
трёхосное равнокомпонентное напряжённое состояние, чистый сдвиг и одноосное сжатие или одноосное растяжение. Если к этому добавить анализ численных значений параметра Надаи-Лоде, то выявляется и различный характер разрушения образцов при различных комбинациях напряжений по трём осям [3].
3. Составляя набор физических компонент, таких как работа формоизменения, работа всестороннего сжатия, поля температур, поля давлений, фактор времени и характеристик свойств (объёмный модуль и модуль сдвига), утверждаем, что изменение состояния интерпретирующей термодинамической системы - массив горных пород - можно оценить при изменении объёмного нагружения. Если к этому добавить и различные значения показателя Надаи-Лоде [4], то можно установить качественный характер нагружения и форм разрушения.
4. Наиболее важным и сложным является выбор критериальных условий для выделения различных физических состояний исследуемой системы. Первое состояние - это исходное равновесное состояние массива горных пород до выполнения технологических операций. Второе состояние -это геомеханический процесс изменения состояния массива горных пород от равновесного «исходного» до состояния, где реализуются максимальные напряжения, т.е. до начала разрушения массива сдвигом в условиях трёхосного напряжённого состояния обобщённого сдвига. Третье состояние - это «доразрушение» массива от реализации максимальных сжимающих напряжений до такой разгрузки, когда величина максимальных сжимающих напряжений падает до значений промежуточного главного напряжения. Четвёртое состояние - это реализация отжима отдельных слоёв массива в сторону выработки. Следует отметить, что на
открытых горных работах разрушение идёт также в две стадии - от отрыва к сдвигу.
Выявление характерных участков нагружения, деформирования и разрушения массива при протекании геомехани-ческих процессов является естественным и основывается на особенностях сопротивления деформированию и разрушению массива в объёмном напряжённом состоянии. Выбор термодинамической системы и физическое обоснование характера изменения её переменных и параметров позволяет составить математическую модель для изучения закономерностей протекания многих геомеханиче-ских процессов в массиве вблизи горных выработок.
С феноменологических позиций переход из одной термодинамической ста-
1. Блехман И.И., Мышкис А.Д., Пановко Я. В. Правдоподобность и доказательность в прикладной математике// Механика твёрдого тела. - 1967. - №2. - С. 196-203.
2. Шемякин Е.И. Две задачи механики горных пород, связанные с освоением глубоких месторождений руды и угля // ФТПРПИ. - 1975. - №6. - С. 29-45.
дии к другой обусловлен изменением условий деформирования и разрушения, когда переменные и параметры термодинамической системы достигнут своих предельных значений и изменят или усложнят протекание геомеханических процессов в массиве. Для описания зон разделения используют прочностные критерии - условия прочности [3].
Таким образом, при составлении компьютерных программ для моделирования напряжённо-деформирован-ного состояния массива горных пород необходимо сформулировать реально обоснованную математическую модель. Наиболее важным приложением разработанной модели следует считать уточнение положений теории внезапных выбросов угля и газа в части обоснования действия горного давления [5].
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Норель Б.К. Изменение прочности угольного пласта в массиве. - М.: Наука, 1983. - 126 с.
4. Надаи А. Пластичность и разрушение твёрдых тел. - М.: Мир,1969. -Т.1.-364 с.
5. Норель Б.К. Обоснование явления внезапного выброса отдельными термодинамическими стадиями // Уголь. - 1977. - №10. - С. 4244.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Демин А.М., Норель Б.К. - ВИНИТИ РАН.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
