Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ исследований напряженно-деформированного состояния упругопластичных массивов. постановка задач исследований 12
1.1. Краткая минералого-петрографическая характеристика соляных пород 12
1.2. Характеристика механических свойств соляных пород 17
1.3. Краткая характеристика льдов 23
1.4. Анализ ранее проведенных исследований по устойчивости контуров выработок в различных горных массивах 30
1.5. Задачи исследований 35
Глава 2. CLASS Методика исследовани CLASS й 36
2.1. Общий метод исследований 36
2.2. Выбор способа определения реологических свойств упруго-пластичных пород 37
2.3. Методика и аппаратура для испытания образцов соляных пород 42
2.4. Определение механических свойств льда 50
2.5. Обработка результатов исследований 54
Глава 3. Исследование реологических процессов в соляных и ледовых массивах 57
3.1. Выбор модели для оценки реологического состояния массива 57
3.2. Оценка устойчивости и напряженно-деформированное состояние тонких слоев калийной соли 61
3.3. Экспериментальное определение параметров ядра ползучести упругопластичных пород 68
3.4. Обеспечение устойчивости открытых стволов скважин в мощных ледовых отложениях 71
Выводы к главе 3 76
Глава 4. Научно-практические рекомендации по обеспечению устойчивости соляных и ледовых массивов вблизи горных выработок и скважин 78
4.1. Общие представления и постановка задач по обеспечению устойчивости массивов и выработок 78
4.2. Определение объемного коэффициента жесткости и линейной деформации целиков различных геометрических форм 79
4.3. Устойчивость упруго-пластичного горного массива вблизи подготовительных выработок 86
4.4. Определение высоты столба заливочной жидкости при бурении скважин в ледовых массивах 91
Выводы к главе 4 ...97
Общие выводы и рекомендации 100
Литература 103
- Характеристика механических свойств соляных пород
- Определение механических свойств льда
- Экспериментальное определение параметров ядра ползучести упругопластичных пород
- Определение объемного коэффициента жесткости и линейной деформации целиков различных геометрических форм
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Необходимость поддержания устойчивости горного массива и сохранения контуров существующих и вновь сооружаемых горных выработок, а также поддержание открытого ствола буровых скважин (особенно глубоких) в толще упругопластичных массивов (в солях и особенно мощных ледовых отложениях) является актуальной научно-технической задачей. Актуальность темы подчеркивается также тем, что отработанные горные выработки в соляных отложениях могут быть использованы, в частности, для захоронения и временного хранения отработанного ядерного топлива и других радионуклидных отходов. Разработка методов поддержания контуров выработок и скважин требует при этом оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) упругопластичного массива вблизи названных выработок и скважин, что является самостоятельной и актуальной научно-технической задачей.
В этой связи особую актуальность приобретают исследования процессов деформирования упруго-вязко-пластичных массивов, а также вопросы, связанные с разработкой достаточно простых и достоверных методик оценки устойчивости и напряженно-деформированного состояния (НДС). Данное направление имеет самостоятельное значение и ориентировано на регистрацию различных форм проявления горного давления. В тоже время оно является неотъемлемой частью параметрического обеспечения геомеханических расчетов и вызывается необходимостью предупреждения конвергенции (затекания) контуров горных выработок и скважин в толще упругопластичных массивов.
Как известно, все соляные породы, а также мощные ледовые отложения весьма склонны к ползучести, то есть к способности деформироваться при длительном действии постоянных во времени нагрузок. В связи с этим для
5 использования теоретических расчетов при решении различных горнотехнических задач весьма актуальным является знание и определение реологических свойств указанных выше пород и массивов. Исходя из этого, весьма целесообразным и особенно сложным является определение параметров пластической деформации, обусловленной ползучестью ледовых толщ и соляных пластов, в первую очередь, так называемого ядра ползучести (или ядра наследственности), без которого невозможно составить реологическое уравнение. Таким образом, наряду с аналитическими проработками, возможно и экспериментальное определение параметров ядра ползучести для конкретных соляных или ледовых массивов.
Особую актуальность приобретает проблема обеспечения безопасной и рациональной отработки калийных и каменно-соляных месторождений подземным способом, а именно: учет влияния фактора времени на напряженно-деформированное состояние пород вокруг горных выработок. Эта проблема имеет важное значение для оценки устойчивости капитальных и подготовительных выработок, камерных целиков, потолочин и других конструктивных элементов.
При этом большой вклад в развитие теории и практики оценки ползучести соляных пород внесли отечественные ученые и специалисты: Асанов В.А., Барях А.А., Булычев Н.С., Бесков М.И., Глушко В.Т., Ержанов Ж.С., Константинова С.А., Крайнев Б.А., Максимов А.П., Николайчук Н.Н., Пермяков Р.С., Проскуряков Н.М., Протосеня А.Г., Соколовский В.В., Ставрогин А.Н., Фотиева Н.Н., Черников А.К. и др.
Говоря о ледовых отложениях, следует отметить, что лед является одним из самых распространенных твердых тел на земной поверхности. Примерно 20 млн. км , или 1,7% всего объема воды на Земле, находится в виде льда; ледниками покрыто около 16 млн. км , или 10,8 % поверхности суши, что составляет 3,1 % всей площади Земли [93]. Многолетнемерзлая порода, содержащая лед, занимает более 14 млн. км . Пространственное размещение
природных ледяных тел и их взаимодействие с окружающей средой связано с изменением внутренней энергии физических, химических, механических свойств льда и его динамикой. Законы движения природного льда в пространстве и внутренний массоперенос вещества в нем определяется механическими процессами и условиями окружающей среды, что обусловливает необходимость решения проблемы механики природных льдов. Помимо теоретических аспектов, многообразно практическое использование основ механики природных льдов. Мощные ледники (арктические и, особенно, антарктические) определяют климат если не всего земного шара, то достаточно обширных регионов, а также термический режим гидросферы и литосферы. Наличие больших массивов льда на суше и на громадных водных пространствах, их непрерывная динамика существенно отражаются на региональном неравномерном распределении тепловой энергии на всей площади Земли. В среднем за год покрывается снегом и льдом около 72 млн. км2 земной поверхности, и на всем этом огромном пространстве приход солнечной энергии втрое меньше нормального. Оледенение планеты оказывает определяющую роль в геолого-геофизических процессах, в эволюции животного и растительного мира. Поэтому изучение мощных ледников, в первую очередь, антарктических, является важной научной и практической задачей, которая определяет необходимость отбора проб льда для его изучения с больших глубин (до 3,5 км на ст. Восток в Антарктиде). А это в свою очередь можно осуществлять только бурением глубоких скважин с обеспечением устойчивости их стволов в ледовом массиве при его пластическом течении (ползучести), что определяет необходимость осуществления специфических мероприятий по реализации технологии такого бурения. Этот фактор и определяет актуальность изучения поведения льда как упруго-вязко-пластичного массива, в первую очередь, его напряженно-деформированного состояния (НДС).
В области изучения поведения льда под нагрузкой широко известны работы: Баркова Н.И., Быченкова Е.И., Васильева Н.И., Зотикова И.А., Короткевича Е.С., Кудрявцева В.А., Кудряшова Б.Б., Савельева Б.А., Слюсарева Н.И., Цытовича Н.А., Шумского П.А. и других.
Выбор соляных пород и мощных ледовых отложений в качестве объектов исследований по диссертационной работе определяется сходством их реологических свойств и относительно недостаточной изученностью. При этом реологическое сходство проявляется в широком диапазоне нагрузок и температур, при которых соляные породы и лед ведут себя как массивы, способные деформироваться во времени под действием постоянных нагрузок (собственно ползучесть) со снижением напряжений при постоянной деформации (релаксация) и изменении прочности в ходе длительного действия нагрузки.
Актуальность темы диссертации подчеркивается ее соответствием плану НИР СПГГИ (ТУ) по основным научным направлениям (х/д 5/2001 "Разработка научно обоснованных рекомендаций по ремонту и восстановлению горных выработок на нефтешахтах ОАО "Битран"; х/д 15/2003 "Разработка технических средств и технологии оперативного закрепления интервалов с неустойчивыми горными породами при бурении глубоких скважин").
Цель работы заключается в повышении устойчивости горных выработок в упруго-вязко-пластичных массивах на примере соляных и ледовых отложений.
Идея работы заключается в геомеханическом обосновании повышения устойчивости горных выработок и глубоких скважин, а также в оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) соляных и ледовых массивов, которые могут базироваться на доказанной идентичности их реологических свойств.
8 Задачи исследований:
Оценка физико-механических и реологических свойств соляных пород и ледовых толщ и обоснование идентичности их поведения в зонах влияния горных выработок и скважин.
Исследование реологического состояния и НДС соляных пород на примере тонких слоев калийной соли в соответствии с моделью течения вязкой жидкости.
Экспериментальное определение параметров ядра ползучести (наследственности) соляных пород как функций и времени и уровня нагружения.
Разработка рекомендаций по обеспечению сохранности контуров открытых стволов скважин в ледовых массивах.
Разработка научно-практических рекомендаций по геомеханическому обоснованию методов предупреждения конвергенции контуров горных выработок в соляных породах на примере подготовительных и очистных забоев.
Научные положения, защищаемые в работе:
Функция податливости, скорость деформации и пластическая вязкость соляного массива линейно зависят от времени и уровня нагружения, при этом поведение калийной соли в маломощных пластах может быть удовлетворительно аппроксимировано моделью течения вязкой жидкости.
Линейные деформации охранных сооружений при камерной отработке соляных месторождений оцениваются значениями коэффициентов объемной жесткости целиков, при этом возможные нагрузки на крепь подготовительных выработок могут быть определены радиусом предельной области влияния выработки на устойчивость горного массива.
Обеспечение устойчивости контура ствола скважины при бурении в мощных ледовых отложениях идентичных по реологическим свойствам соляным массивам, обеспечивается посредством заливки скважин
9 незамерзающей жидкостью, высота столба которой определяется мощностью самих ледовых отложений, параметрами заливочной жидкости, законом и скоростью течения льда и технологическими особенностями бурения.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций
определяется достаточным уровнем сходимости расчетных и экспериментальных данных, при доверительной вероятности 85-92 % и подтверждается результатами исследований других авторов.
Научная новизна заключается в установлении закономерностей деформирования соляных и ледовых массивов вблизи горных выработок и скважин, как функций физико-механических и реологических свойств, закона течения и параметров ядра наследственности (ползучести) массивов в зависимости от времени и уровня нагружения.
Практическая ценность работы состоит в разработке:
методики определения возможных эпюр конвергенции и нагрузок на крепь горных выработок посредством уточнения параметров ядра ползучести и определения пластической вязкости соляного массива;
методики оценки линейных деформаций охранных сооружений при разработке соляных месторождений по коэффициентам объемной жесткости целиков;
методики расчета необходимой высоты столба заливочной жидкости при бурении глубоких скважин в ледовых массивах на основе определения закона и скорости течения льда.
Реализация результатов исследования: при выполнении НИР по геомеханическому обоснованию устойчивости горных выработок и скважин различного назначения, а также в учебном процессе при подготовке горных инженеров-строителей.
10 Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, участие в их выполнении и обработке результатов, разработка практических рекомендаций по реализации результатов работы.
Публикации: основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 печатных работах.
Апробация работы: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2001-03гг. (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург); Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России" (Санкт-Петербург, 2002); 13-ой Зимней школе по механике сплошных сред и Школе молодых ученых по механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, 2003); Международной конференции "Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений" (Тульский государственный университет, Тула, 2003).
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, изложенных на 112 страницах машинописного текста; содержит 11 таблиц, 14 рисунков, и списка литературы из 121 наименований, в числе которых 5 зарубежных.
Содержание работы:
Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель, задачи и основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе выполнен обзор и анализ напряженно-деформированного состояния упругопластичных массивов по литературным и фондовым источникам. Приведен анализ и сравнительная характеристика физико-
механических и реологических свойств соляных пород и льда. Обоснованы цель и задачи исследований.
Во второй главе обобщена методология исследований упругопластических сред, описаны аналитические и экспериментальные исследования, а также дана методика обработки результатов экспериментов.
Третья глава диссертации посвящена исследованию реологических процессов, имеющих место в соляных породах и мощных ледниках. Дано решение задачи об устойчивости горных выработок в соляных массивах и произведена оценка их НДС. Выбрана модель для оценки НДС массива калийных солей, позволяющая достаточно просто качественно и количественно описать их поведение. Приведено реологическое описание поведения вязкоупругих массивов, а также экспериментальное определение параметров ядра ползучести вышеуказанных пород. Обоснован метод заливки глубоких скважин во льду как способ предупреждения заплывания стволов скважин.
В четвертой главе работы приведены решения по обеспечению устойчивости подготовительных и очистных выработок в соляных породах, а также открытых стволов скважин в мощных ледовых отложениях. В частности предложены методики расчета возможных нагрузок на крепь подготовительных выработок и линейной деформации целиков очистных выработок на основе определения объемного коэффициента их жесткости, а также определена высота столба заливочной жидкости скважин при их проходке в толще мощных ледовых отложений в зависимости от мощности ледника, параметров ядра ползучести льда и технологических особенностей бурения.
В заключение приведены основные выводы и рекомендации по работе, отражающие результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение поставленной в диссертационной работе цели.
Характеристика механических свойств соляных пород
Известно достаточно большое количество работ, посвященных исследованию физико-механических свойств соляных пород в лабораторных условиях. Значительное количество результатов механических испытаний, полученных до 1973 г., обобщены в монографии Н.М. Проскурякова, Р.С. Пермякова, А.К. Черникова [86], результаты более поздних исследований представлены в ряде справочников.
В силу того, что составляющие соляные породы минералы (галит, сильвинит, карналлит, ангидрит и глинистые породы) обладают различной прочностью, прочность образцов соляных пород будет зависеть от содержания отдельных минералов в них. Поэтому между прочностью кристаллов и прочностью встречающихся в натурных условиях соляных пород отмечается разница, так как в последних важную роль играет прочность составляющих их минералов.
Прочность соляных пород при одноосном сжатии является функцией сцепления между отдельными зернами. Зная структуру и состав соляных пород, можно найти качественные и количественные зависимости их прочности от содержания составляющих минералов.
Испытания физико-механических свойств имеют широкие цели и служат для выявления всех особенностей деформаций, сдвижений, напряженного состояния и разрушений в выработках и в окружающих породах.
Приведенный в работе [86] сравнительный анализ свойств соляных пород конкретных месторождений указывает на их значительный разброс для различных бассейнов. Кроме того, особенности строения соляных пород, их состав, специфическая реакция на воздействие внешних факторов предопределяют существенную зависимость результатов исследований от методик испытаний. Тем не менее накопленный экспериментальный материал позволяет оценить диапазоны изменения стандартных физико-механических характеристик соляных пород.
Прочность сильвинита и каменной соли при одноосном сжатии меняется в пределах 13-41 МПа. Среднее значение коэффициента вариации результатов конкретных испытаний достигает 30 %. Аналогичным разбросом характеризуется предел прочности при сжатии карналлитовых пород, который изменяется в интервале 10-20 МПа. Модуль упругости карналлита колеблется в пределах 14-20 ГПа, а каменной соли и сильвинита в пределах 12-23 ГПа. Значение коэффициента Пуассона соляных пород в образцах находится в диапазоне 0,30 - 0,45. Предельная деформация сжатия образцов каменной соли и сильвинита изменяется от 2 до 6 %. У карналлита этот показатель приблизительно в 2 раза меньше. Прочность галитовых и сильвинитовых пород при растяжении, определенная косвенными методами, изменяется в диапазоне 0,27 - 2,0 МПа, карналлита - 0,19 - 0,85 МПа. Модуль упругости галито-сильвинитовых пород при чистом растяжении составляет 2,5 - 4,5 ГПа, предельная деформация — 0,1 - 0,2 %. Для сильвинитовых пород прочность при изгибе достигает 2,0 - 6,5 МПа, для каменной соли - 2,4 - 5,0 для карналлита - 1,0 - 2,0 МПа.
Соляные породы пластичны, т. е. обладают способностью под нагрузкой изменять свою форму без разрыва сплошности. Значение коэффициента пластичности к = А0в / Ауп (А0в - общая работа до разрушения, Ауп - работа упругих деформаций) стремится к бесконечности. Условный предел текучести для галитовых и сильвинитовых пород, например, Старобинского месторождения, достигает 30 МПа. Доля пластических деформаций для образцов карналлита составляет 50 %, а для каменной соли - 90 %. Исследования физико-механических свойств, проведенные в натурных условиях, показывают, что, в отличие от других литотипов горных пород, пределы прочности при сжатии и изгибе соляных пород близки к значениям соответствующих показателей, полученных при лабораторных испытаниях. Несколько больше различаются деформационные характеристики. Так, модуль упругости карналлита Верхнекамского месторождения, определенный в натурных условиях, в 2 раза выше, чем у полученного при лабораторных экспериментах.
Значительный интерес представляют результаты исследований прочностных и деформационных характеристик соляных пород в условиях сложного напряженного состояния. Их анализ показывает, что в этом случае значительно повышается прочность при сжатии. Упругие характеристики соляных пород практически не зависят от величины среднего напряжения сжатия. Относительно независимы от вида напряженного состояния также пределы упругости и текучести [88, 96].
Результаты определения механических характеристик соляных пород представлены в табл. 1.3 - 1.5. Их анализ указывает на значительную изменчивость механических свойств [12]. Наибольшая вариация свойств, как и следовало ожидать, наблюдается у карналлита - породы, наименее стабильной по своему составу и структуре. Максимальное значение коэффициента вариации отмечается у деформационных показателей. Это объясняется, по-видимому, не только их реакцией на колебания минерального состава и структуры пород, но и менее точной методикой измерения.
Соляные породы обладают ярко выраженными реологическими свойствами, которые проявляются в способности деформироваться во времени под действием постоянных усилий (собственно ползучесть), в снижении напряжения при постоянной деформации (релаксация) и в изменении прочности при длительном действии нагрузки (длительная прочность). Эксперименты на ползучесть, проводящиеся, как правило, на образцах в условиях одноосного сжатия с боковым давлением, позволили выявить следующие особенности процесса ползучести при постоянных нагрузках [12]: при невысоких значениях действующих напряжений ползучесть носит ограниченный характер, скорость деформаций монотонно убывает, сами деформации стремятся со временем к некоторым предельным значениям, зависящим от уровня нагрузок; деформирование - обратимый процесс (так называемый I тип ползучести - ограниченная, или затухающая ползучесть); при более высоких напряжениях процесс деформирования необратим, скорость ползучести, убывая, стремится к некоторому постоянному значению (установившаяся ползучесть - II тип), после достижения которого через некоторый промежуток времени процесс становится прогрессирующим (ползучесть III типа); скорость деформирования возрастает вплоть до разрушения образца.
Определение механических свойств льда
Общие представления. Так как в работе основной упор сделан на реологические свойства мощных ледовых отложений (типа антарктических), то определяются только те свойства льда, которые характеризуют лед как массив, в котором проходят горные выработки (главным образом, глубокие скважины), подвергающиеся заплыванию при пластическом течении (ползучести) льда. Такими свойствами для мощных покровных ледников являются предельное напряжение при растяжении, сопротивление сдвигу, предел пластичности и коэффициент вязкости, а также предельное сопротивление льда действию местной нагрузки. Указанные характеристики определяются либо экспериментально на образцах льда, отобранных в шурфах или глубоких скважинах, либо расчетным путем с использованием достаточно проверенных методик и расчетных зависимостей. Такой методикой можно считать общепризнанную опытно-расчетную методику, разработанную рабочей группой по гляциологии межведомственного комитета по проведению международного геофизического года под редакцией проф. В.А. Кудрявцева и проф. Б.А. Савельева [92] и использованную в диссертационной работе.
Предельное напряжение льда при растяжении. Для определения этой характеристики используется пресс ДОРНИИ. Образцы льда изготавливают в форме восьмерок с удлиненной (до 250 мм) шейкой для выравнивания напряжений по сечению шейки. Напряжения определяют по эмпирической формуле, известной из курса сопротивления материалов: P где P - осевая нагрузка; F— сечение шейки образца.
Сопротивление сдвигу. Это основной показатель при оценке течения льда. Он характеризуется соотношением между наибольшими касательными напряжениями т„ и нормальной составляющей напряжения ап в момент, предшествующий сдвигу, который возникает, когда наибольшие касательные напряжения превысят некоторое предельное значение, соответствующее внутреннему сопротивлению льда сдвигу. Соотношения между Т„ И 7п описываются зависимостью Мора: =/( ) Графически эта зависимость определяется предельной прямой, огибающей круги напряжений, которую, при небольшом диапазоне разброса сжимающего напряжения, можно аппроксимировать прямой вида: где (р- угол внутреннего трения льда; С- сцепление, или значение тп при ап= 0. При ср = 0 тп = С = const, т.е. в этом случае имеет место условие пластичности Сен-Венана, при котором огибающая кривая переходит в горизонтальную прямую. В общем же виде сопротивление сдвигу представляется криволинейной зависимостью: Tn=antg p + Cw+Cs 2.9 где Cw — сцепление, характеризующее связность, или первично восстанавливающееся сцепление; Cs - сцепление, определяющее ненарушенное состояние льда.
Предел пластичности. Этот показатель определяется как при одностороннем сжатии образцов льда, так и при изгибе под действии поперечной нагрузки [39, 59, 60]. Существуют специальные устройства для реализации этих экспериментов, после обработки результатов которых используют хорошо проведенные эмпирические зависимости: а) при одноосном сжатии: Р где Р — осевая нагрузка; а, Ъ — поперечные размеры образца; б) при поперечном изгибе: 31Q т " 2bh2 где / - длина образца между опорами; Q — поперечное усилие в середине образца; Ъ — ширина образца; h - толщина (высота сечения) образца.
Коэффициент пластической вязкости. Этот коэффициент для льда можно определять или из опытов на изгиб, или методом кручения. Предпочтение следует отдать первому методу, так как метод кручения применяется только для искусственно изготовленных образцов, то есть полученных при замерзании воды в специальных формах. Вырезать же такие образцы (цилиндрической формы) из мощного ледника практически невозможно.
Коэффициент внутреннего трения (коэффициент пластической вязкости) есть полная сила сопротивления, отнесенная к единице поверхности сдвигаемого слоя и к единице угловой скорости сдвига при установившемся стационарном движении. Поэтому этот коэффициент может характеризовать пластические деформации льда только в предельном стационарном состоянии, когда при постоянной скорости деформации достигнута постоянная сила сопротивления или когда постоянному внешнему усилию соответствует постоянная скорость деформации. Методы определения коэффициента вязкости льда основываются либо на фиксации изменения внешнего усилия за определенный промежуток времени при постоянстве деформации, либо на наблюдении за изменением деформации под воздействием постоянной нагрузки, что чаще всего реализуется на практике, например, при бурении скважины в антарктическом ледовом покрове.
Определение коэффициента вязкости льда по прогибу призматического бруска, нагружаемого в середине сосредоточенной поперечной нагрузкой, целесообразно производить для двух положений. При первом оба конца ледового бруска неподвижно закрепляются, а во втором брусок свободно опирается на две подставки.
Для первого случая коэффициент вязкости 77 определяется из выражения: Р13 77 = 48bh3 dz где ЛЛ - скорость деформации; остальные обозначения соответствуют обозначениям в предыдущей формуле. Для льда последнее выражение можно использовать при ЛЛ = const.
Во втором случае: Р13 3 &" dx когда для льда справедливо условие лЛ = const. Различия в форме закрепления образца определяются числовым коэффициентом в знаменателях формул.
Установка для испытаний должна иметь систему регулирования скорости приложения нагрузки, при которой датчик экстензометра, жестко связанный с образцом, регулирует скорость подачи пластины таким образом, чтобы скорость деформации образца оставалась постоянной. При этом должны обеспечиваться измерения прочности по всему диапазону скоростей деформации от 10"5 до 10"1 1/с. Приложенная нагрузка должна измеряться динамометрическим датчиком соответствующей мощности, с тем чтобы обеспечить достаточное разрешение результатов измерения.
Экспериментальное определение параметров ядра ползучести упругопластичных пород
В связи с усложнением горно-геологических условий разведки и разработки подземного пространства вязкоупругих массивов (соляных месторождений, ледовых толщ), с возрастающими геоэкологическими проблемами возникает необходимость расширения круга традиционных и постановки новых задач горной геомеханики, от решения которых зависит эффективное и безопасное вскрытие вязкоупругих массивов скважинами и подземными выработками [42].
Одной из таких задач, как уже отмечалось, является реологическое описание поведения упругопластических и вязкоупругих массивов с целью разработки мероприятий по геомеханическому обеспечению проведения в них глубоких скважин и горных выработок. При этом особую сложность вызывает определение параметров пластической деформации, обусловленной ползучестью соляных пластов и ледовых толщ, в первую очередь, так называемого ядра ползучести (или ядра наследственности), без которого невозможно составить реологическое уравнение. В этой связи, наряду с аналитическими проработками, возможно и экспериментальное определение параметров ядра ползучести для конкретных соляных или ледовых массивов.
Как следует из работы [12], по отношению к вязкоупругим горным породам (солям, льду) наиболее подходит степенное ядро: K{t,T) = S(t)-a, (3.8) где K(t, т) — ядро ползучести; / - текущее значение времени; т - единичный промежуток времени, в течение которого действует некоторое зависящее от времени напряжение j(t), вызывающее деформацию в момент времени t; 8,а-параметры ползучести (0 а 1; 5 0).
С использованием выражения (3.8) можно записать в общем виде закон деформирования (реологическое уравнение) в форме В. Вольтерра: t cr(t)+ \K(t,z}j(T)dT о w E (3.9) где s(t), a(t) — соответственно деформация и напряжение в момент времени /; Е — модуль упругости массива при растяжении-сжатии.
Если ядро ползучести отражает влияние на деформацию в момент / нагрузки, приложенной в момент г, то функцию K(t, т) можно заменить на K(t), и тогда выражение (3.8) можно переписать в виде: K(t) = S{t)-a. (ЗЛО)
Исследования авторов работ [12, 13] показывают, что кривые ползучести (реологические уравнения) удовлетворительно описываются уравнением типа (3.9) с ядром ползучести в виде (ЗЛО), при этом значение параметров aw 8 зависят от уровня конкретной нагрузки ак =/Зстсж, где р-сгк/сгсж коэффициент уменьшения действующей нагрузки (0 Р 1); исж — предел прочности на одноосное сжатие.
На этой теоретической основе было проведено экспериментальное определение параметра ползучести 8 при заданных значениях другого параметра а — 0,6; 0,7, принятых, исходя из выводов авторов работ [12, 13], что при а = 0,6+0,7ядро ползучести по выражению (ЗЛО) наиболее полно отвечает закону деформирования вязкоупругих массивов.
Эксперименты были проведены на блоках калийной соли размерами 175x106x143 мм. В ходе опытов блоки закреплялись между двумя стальными плитами, через которые передавалась осевая нагрузка; при этом деформации (продольная и поперечные) замерялись с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10 с точностью отсчётов 0,01.
Если в реологическое описание ввести функцию податливости 77(/) = є(і)/сгкі то выражение (3.9) можно переписать в виде: e(t)= \n{t)da(t), о j t где 77(/) = — \K{t)dx, откуда следует, что l = K(t)/E. dt W Из приведенных выражений видно, что (/) = — , de{t) где є = —— - скорость деформации при ок = const. dt По данным экспериментальных исследований получены параметры ползучести: IJ(t); K(t); д (табл. 3.1), - при двух условиях нагружения: Pi = 0,34 (ак = 9,1 МПа) и 02 = 0,80 ( тк = 21,0 МПа) при значении асж = 26,4 МПа [12]. При этом для расчета параметра д = K(t)fo-т) а в качестве характерного времени принято t = 15cym, т.е. время, при котором кривые функции податливости (рис. 3.4) приобретают постоянный угол наклона к оси абсцисс. S зависит от K.{i)fo-т) а, то его значение тоже должно быть функцией времени: - для нагружения в ходе эксперимента на уровне /?; = 0,34: Sx =a + {t-\5)-a\, а = 0,6; 0,7; і = 1,2; - для нагружения на уровне /32 = 0,8: 82 =6,[l + (f-15)"aJ, а = 0,6; 0,7; і = 1,2, где аі = 0,022; а2 = 0,026; bj = 0,010; Ь2 = 0,012 (см. табл. 3.1). Для построения более точной реологической модели необходимо перейти к использованию нелинейной вязкоупругости. Но для качественной оценки деформаций массива и вместе с ними конвергенции стволов скважин и контуров горных выработок в инженерной практике можно использовать линейное приближение с коррекцией по данным натурных измерений.
Определение объемного коэффициента жесткости и линейной деформации целиков различных геометрических форм
При разработке многих месторождений полезных ископаемых с оставлением естественных рудных или возведением искусственных целиков возникает необходимость прогнозирования величины проседания земной поверхности в районе ведения подземных горных работ. Известно, что при значительных площадях разработок, поперечные размеры которых сравнимы с их глубиной, величина проседания земной поверхности практически равна вертикальной линейной деформации целиков. Поэтому определение этой деформации будет способствовать и оценке величины проседания земной поверхности, что представляется актуальным и важным для многих горнодобывающих районов [79].
Соляные породы водонепроницаемы, но способны легко растворяться в пресных водах. В мировой практике известны случаи, когда появление в выработках едва заметного капежа с водоносного горизонта заканчивалось гибелью всего калийного рудника [43, 65]. При этом борьба с водой и попытка осушить затопленный калийный рудник не имели успеха.
Если над пластами соли находится водоносный слой, то создается реальная угроза затопления соляных шахт. Поэтому пригодными для эксплуатации могут считаться лишь те пласты солей, которые изолированы от водоносного горизонта естественным водонепроницаемым слоем пород. Вскрывающие месторождения выработки, разведочные скважины с поверхности и стволы шахт должны быть герметически изолированы от водоносного горизонта. Применяемая система разработки не должна вызывать нарушений естественной водонепроницаемости водоизолирующих слоев.
Из известных систем разработки, удовлетворяющих перечисленным техническим условиям, на отечественных соляных рудниках применяется только камерная система разработки с оставлением в выработанном пространстве междукамерных целиков [6, 7, 100]. Главной задачей управления горным давлением при этой системе разработки является определение оптимальных размеров камер и междукамерных целиков [20, 21, 22].
Ранее, расчет ширины междукамерных целиков производился весьма доступным и простым методом, предложенным акад. Л.Д. Шевяковым. В основу расчета по этому методу было положено следующее условие: междукамерные целики должны противостоять полному весу столба пород над целиком и прилегающим к нему выработанным пространством. Исходными данными для расчета являются: глубина разработки, площадь массива, поддерживаемая целиком, объемный вес пород, временное сопротивление пород целика на сжатие и коэффициент запаса прочности.
Значения части перечисленных исходных данных для расчетов до настоящего времени принимаются весьма условно и не поддаются точному определению. Так, метод определения временного сопротивления пород предусматривает кратковременные испытания образцов пород в лабораторных условиях, в то время как междукамерные целики предназначены для поддержания пород на весьма длительный период времени, исчисляемый десятками и даже сотнями лет, и испытывают деформации пластичности и ползучести.
При проведении выработок первоначальное напряженное состояние окружающих горных пород нарушается. Выведенные из равновесия породы стремятся к новому устойчивому состоянию. Перераспределение напряжений приводит к деформациям выработки. Значение величин линейных деформаций и зависимость их от влияющих факторов имеет большое практическое и теоретическое значение.
Определение линейной деформации целиков затруднено тем, что они могут иметь разнообразные геометрические формы: от простых призматических до сложных с переменным сечением при однородном и слоистом строении (рис. 4.1). Деформации таких целиков целесообразно оценивать, используя объемный коэффициент их жесткости при известных упругих характеристиках материала. Наиболее просто это можно сделать для однородного призматического целика постоянного сечения (рис. 4.1, а): SE где Ah — вертикальная линейная деформация целика, м; Р — общая вертикальная нагрузка на целик, МН; h - высота целика, м; S - площадь поперечного сечения целика, м2; Е — модуль упругости материала целика при растяжении-сжатии, МПа. 82 Так как — = сг - нормальное напряжение в целике, то для призматического целика АА = oh об К где Коб = объемный коэффициент жесткости материала целика, МН/м . h
Из формулы (4.1) следует, что при известном нормальном напряжении в целике линейная деформация последнего обратно пропорциональна величине объемного коэффициента жесткости материала целика.
При разработке месторождений камерной системой с последующей закладкой возможна недозакладка верхних частей камер твердеющими смесями [37, 43], в результате чего образуются целики трапециевидной формы с переменным по высоте сечением. Число рядов таких целиков по высоте отработанного пространства определяется геометрическими параметрами камер и размерами пласта по его падению
