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

• Автор: Матвеев, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 206 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ОБОСНОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
1.1. Требования нормативных документов
1.2. Теория и методы оценки устойчивости и разрушаемое™ горных пород в выработках
1.3. Методы изучения характеристик породного массива
1.4. Гипотезы горного давления и формирования нагрузки на крепь
1.5. Элементы фрактальной геометрии
1.5.1. Введение фрактальной размерности
1.5.2 Виды фрактальных размерностей
1.6. Цель и задачи исследований
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
2.1. Объекты и методы исследований
2.1.1. Объекты и предмет исследований
2.1.2. Методики определения плотностных и водно-физических свойств
2.1.3. Методика построения паспортов прочности горных пород
2.1.4. Методика исследования деформационных характеристик
2.1.5. Методы реологических испытаний
2.2. Плотностные и прочностные свойства горных пород
2.2.1. Объемная масса горных пород
2.2.2. Прочностные и упругие свойства горных пород
2.2.3. Анализ паспорта прочное™ горных пород
2.3. Деформационные характеристики горных пород
2.3.1. Общий характер деформирования
2.3.2. Определение модуля деформации
2.3.3. Влияние влажности на деформацию горных пород
2.4. Реологические свойства горных пород
2.4.1. Выбор уравнения ядра ползучести
2.4.2. Результаты экспериментов
2.4.3. Анализ результатов исследования реологических характеристик
2.5. Связь деформационных характеристик с трещиноватостью горных пород
2.5.1. Постановка и результаты экспериментальных исследований
2.5.2. Анализ результатов исследования
Выводы
3. ПРОГНОЗ СВОЙСТВ ПОРОДНОГО МАССИВА
3.1. Общие положения
3.2. Скважинные исследования деформационных характеристик массива
3.2.1. Приборное обеспечение экспериментов
3.2.2. Планирование и организация экспериментальных исследований
3.2.3. Анализ результатов исследований
3.3. Прогноз деформационных характеристик породного массива

3.3.1. Стадии деформирования породного массива
3.3.2. Методика определения деформационных характеристик массива
3.3.3. Закономерности деформирования породных массивов
3.4. Оценка деформационных характеристик массива после его укрепления цементацией
3.5. Паспорт прочности горных пород в массиве
3.6. Оценка свойств горных пород в массиве
3.6.1. Учет влияния горного давления и влажности на свойства пород
3.6.2. Оценка масштабного фактора
3.6.3. Определение коэффициента структурного ослабления
3.6.4. Прогноз прочности породного массива
Выводы
4. ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
4.1. Прогноз устойчивости по схеме заданной нагрузки для условий Юбилейного месторождения
4.1.1. Определение критерия и категории устойчивости горных пород
4.1.2. Определение нагрузок на крепь вертикального ствола
4.2. Использование фрактальной размерности линии контура подземной выработки для прогноза концентрации напряжений
4.2.1. Методы оценки коэффициента концентрации напряжений на контуре выработки
4.2.2. Фрактальная размерность как мера неровностей контура подземной выработки
4.2.3. Расчет коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура выработки
4.3. Оценка деформационных характеристик трещиноватого породного массива
4.4. Устойчивость горных пород в выработке с учетом деформации и реологии массива
4.4.1. Общие принципы расчета по схеме заданной деформации
4.4.2. Прогноз устойчивости с учетом деформации породного массива
4.4.3. Прогноз устойчивости с учетом реологии породного массива
4.5. Критерии устойчивости горных пород в подземных выработках
4.6. Реализация результатов исследований
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
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 массива; во 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.

Гипотеза В. Д. Слесарева [85] уточняет размеры свода естественного равновесия, рассматривая пласты в кровле выработки как опертые с двух концов балки, на которые действуют силы собственного веса и реакции со стороны боковых пород. В рамках этой гипотезы В. Д. Слесарев, в частности, определяет радиус влияния данной выработки:
Яв = Крк/у а, (1-61)
где Кр - коэффициент разрыхления горных пород;
/г - высота выработки.
Гипотеза Н. М. Покровского [70] рассматривает модель, в соответствии с которой высота свода обрушения определяется из условия равновесия пород, окружающих выработку, которое наступает в момент заполнения выработки и свода разрыхленной и впоследствии уплотненной породой. Данный метод расчета дает значительно большие размеры свода по сравнению с размерами, определяемыми выше указанными гипотезами. Здесь, как и в случае гипотезы В. Д. Слесарева, неопределенной является величина коэффициента разрыхления Кр, которую невозможно установить из обще физических представлений. Более того, эта величина будет заведомо изменяться как с увеличением расстояния от выработки, так и во времени.
В общем случае зона обрушения может не иметь форму свода. Если принять размер (радиус) зоны нарушенных пород вокруг выработки гс, то давление пород, обусловленное весом пород в зоне разрушения, определится выражением [12]:

6= 1 а
где г0 - радиус свода выработки.
( а-1 " / а
1- !± -С 1
Дс;

2$т<р
(1.62)
(1.63)
1 - 8П1<р
При расчете давления на крепь вертикальных выработок (шахтных стволов) с позиций заданных нагрузок по традиции исходной считается методика М. М. Протодьяконова [46, 72]. В соответствии с этой методикой нагрузка Рг определяется как активное давление за счет веса сползающей призмы, высота которой принимается равной глубине всего ствола:
РГ = ХуН, (1.64)
где коэффициент горизонтального распора А. = [(90° - (Зср)/2]; (Зср - условный
угол, значение которого определяется как средневзвешенное для всей толщи пород. В случае сыпучих (разрушенных) пород эта величина соответствует углу внутреннего трения. В прочных связных породах он определяется по коэффициенту крепости/суммированием по мощности А; каждого пласта:
Рср =агс*ё
£//,,. (1.65)
_г=1 г
В последствии данная методика была модифицирована П. М. Цимбареви-чем [46, 108] путем построения эпюры давления для каждого пласта: