Введение к работе
Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность ставит перед горной наукой проблемы, связанные с необходимостью детального изучения процессов деформирования и разрушения горных пород при разработке полезных ископаемых: устойчивости и поддержания подземных выработок, разрушения горных пород взрывом и режущим инструментом, при горных ударах, выбросах угля, породы и газа на шахтах.
Эффективность решения этих проблем определяется уровнем знаний о механических и коллекторских свойствах горных пород, напряженном состоянии различных тектонических зон, геодинамических условиях формирования месторождений полезных ископаемых и вмещающего массива.
Решением геомеханических проблем занималось большое количество исследователей.
Для предсказания начала и форм разрушения массива горных пород отечественными и зарубежными учеными предложен широкий спектр критериев (условий) оценки прочностных и деформационных свойств горных пород в образце и массиве, который нашел отражение в трудах Авершина С.Г., Асанова В.А., Бича Я.А., Булычева Н.С, Бажина Н.П., Безродного К.П., Виноградова В.В., Глушко В.Т., Зубова В.П., Карташова Ю.М., Картозия Б.А., Ковалева О.В., Козырева А.А., Корнилкова М.В., Кузнецова С.Т., Капустянского С.М., Кузнецова С.В., Лодуса Е.В., Малышева М.В., Оксенкруга ЕС., Першина В.В., Петухова И.М., Проскурякова Н.М., Протосени А. Г., Ржевского В. В., Ставрогина А.Н., Чиркова С.Е., Шемякина Е.И., Шик В.М. и других.
Исследованиям вопросов влияния влаги, вида напряженного состояния на механические свойства и проницаемость горных пород посвящено значительное количество работ, среди которых следует выделить работы Максимова А.П., Шрейнера Л.А., Ходота В.В., Ренжиглова Н.Ф., Ильницкой Е.И., Герсеванова Н.М., Панина Г.Е., Садиленко К.М. Яновской М.Ф., Премыслера Ю.С. Павловой Н.Н., Давыдова Е.Т., Ножкина Н.В., Желтова Ю.П., Золотарева П.П.
Вопросу влияния скорости деформирования (нагружения) на механические свойства горных пород посвящены многочисленные исследования Ставрогина А.Н., Куксенко В.С., Мансурова В.А., Лодуса Е.В., Ягодкина Г.И., Кунтыша М.Ф, Мохначева М.П, Томашевской И.С., Байдюк Б.В., Бузера Г.Д., Серденгекти И.С., Тарасова Б.Г.
Наибольшую трудность вызывает разработка удароопасных и выбросоопасных месторождений в сложных горно- и гидро-геологических условиях и на больших глубинах.
Актуальность диссертационной работы связана с отсутствием теоретических основ надежного прогнозирования процессов деформирования и разрушения горных выработок и массивов горных пород при интенсивной подземной добыче полезных ископаемых в сложных горно- и гидро-геологических условиях. Исследования механических и коллекторских свойств пород в лабораторных условиях позволяют установить общие закономерности процессов деформирования и разрушения насыщенных горных пород.
Цель работы – разработка теоретических положений, обеспечивающих повышение надежности прогнозирования процессов деформирования и разрушения массивов горных пород при подземной добыче полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся повышенной насыщенностью пород газами и водой.
Идея работы - предельное и неупругое состояние, а также коллекторские свойства насыщенных горных пород необходимо определять с учетом взаимодействия и взаимного влияния твердой, жидкой и газовой фаз.
Основные задачи исследования:
- исследовать закономерности перехода насыщенных газом и жидкостью горных пород в предельное состояние при широкой вариации условий нагружения;
- исследовать закономерности изменения коллекторских свойств горных пород (сжимаемость, проницаемость) от вида напряженного состояния, порового давления, степени насыщения жидкими флюидами;
- обобщить результаты экспериментальных исследований с позиций статистической модели деформированного неоднородного тела;
- разработать новые и усовершенствовать существующие средства и методики исследований механических и коллекторских свойств горных пород при вариации условий нагружения, фильтрации жидких и газообразных флюидов, интенсивности порового давления.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Предельное и неупругое состояние насыщенных горных пород необходимо определять по условиям прочности и упругости, а также закономерностям их изменения, учитывая вид напряженного состояния, формы связи и виды влаги, величину порового давления и скорость деформирования.
2. Фильтрационные характеристики насыщенных горных пород и закономерности их изменения в условиях сложного напряженного и неупругого деформирования следует определять с учетом структуры их порового пространства, физических свойств и соотношения жидкой и газовой фаз, а также величины и направления действия главных напряжений.
3. Деформационные характеристики насыщенных горных пород при больших давлениях в условиях объемного сжатия необходимо определять с учетом вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм связи и вида влаги, толщины двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении их с водой.
Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий изучение строения,
свойств, состояния пород и условия их нагружения, анализ закономерностей процесса разрушения, изменения пористости и проницаемости горных пород при различных видах напряженного состояния, уровнях влажности и скоростях деформирования и предусматривающий разработку методик, оборудования и устройств для изучения процессов деформирования и разрушения горных пород в лабораторных условиях, аналитические исследования с использованием ЭВМ и методов статистической физики.
Научная новизна:
- установлены зависимости перехода в предельное состояние горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния, скорости деформирования и фазово-физического состоянии пород;
- установлены закономерности изменения коллекторских свойств горных пород не только от вида напряженного состояния, но и порового давления, форм и видов влаги в породе;
- вскрыта физическая природа снижения прочности, заключающаяся в образовании на поверхности частиц двойного электрического слоя, толщина которого зависит от комплекса обменных катионов;
- разработана статистическая модель неоднородного деформируемого тела для насыщенных горных пород с учетом форм и видов влаги, которая подтверждается тем, что в связи с эффектом адсорбционного понижения прочности число микроплощадок сдвига, участвующих в процессе деформирования, возрастает; коэффициента концентрации напряжений зависит от форм и видов влаги в горных породах и не зависит от скорости деформирования;
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена:
- большим объемом экспериментальных исследований различных литологических типов горных пород и угля из основных месторождений полезных ископаемых (около 11 000 образцов, 22 литологические разновидности пород);
- соответствием условий нагружения в лабораторных исследованиях компонентам напряжений, действуюших на породу в массиве, и существующим ГОСТам на проведение лабораторных исследований;
- диапазоном скоростей деформирования (9 десятичных порядков) от 101 до 10-8 с-1, охватывающих скорости ползучести и горные удары;
- широкой апробацией результатов исследований и удовлетворительной сходимостью прогнозируемых и фактических свойств.
Личный вклад автора заключается: в выборе и обосновании направлений исследований, организации, планировании и обобщении результатов эксперимента, разработке методик и аппаратуры, установлении экспериментальных зависимостей изменения механических и коллекторских свойств горных пород с учетом форм и видов влаги в них при вариации условий нагружения, способствующих повышению надежности и достоверности разработки практических рекомендаций при решении задач горной геомеханики, при проектировании и ведении горных работ в широком диапазоне условий нагружения. Все разработки осуществлялись под непосредственным руководством и при участии соискателя.
Практическая значимость:
- разработан каталог механических свойств горных пород и методические указания по их определению;
- разработаны методики и оборудование для исследований механических и коллекторских свойств пород с учетом форм и видов влаги в них при широкой вариации режимов нагружения, позволяющие исследовать свойства горных пород для решения конкретных задач горного производства по упрощенной программе;
- методические разработки и результаты исследований использованы в работах других исследовательских организаций.
Реализация результатов работы. Основанием для выполнения работы являлись: научно-технические программы Министрерства топлива и энергетики РФ, Минобрнауки РФ, НТП проект “Углеметан”. Полученные в результате исследований материалы вошли составной частью в:
- Указания по охране, поддержанию и рациональному расположению выработок на угольных шахтах СССР (Фонды МУП СССР, 1977г.), утвержденные в качестве инструктивного документа для проектирования горных предприятий;
- Каталог механических свойств горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния и скорости деформирования. Л., 1978г.
- Каталог планшетов механических характеристик горных пород, опасных в отношении динамических явлений, с учетом запредельной области, газового и жидкостного факторов. Л., 1980 г.;
- Методические указания по определению фильтрационных свойств углей и горных пород. Л., 1985 г.;
- Методические указания «Геодинамическое районирование недр». Л., 1990г.
- Рекомендации по ведению горных работ под водными объектами. Министерство топлива и энергетики РФ, СПб. 1999 г.
Результаты и методики исследований свойств горных пород переданы для использования и внедрения заинтересованным организациям, а также использованы при выдаче заключений и экспертиз филиал ОАО 26 ЦНИИ, Центральное конструкторское бюро Тяжелого Машиностроения, НП "Нефтегазтехника", Уральская сверхглубокая СГ-4.
Апробация работы. Ключевые положения диссертационной работы обсуждены и получили одобрение на десяти научно-технических конференциях ученых и специалистов РФ и стран СНГ, Воркутского и Кузбасского бассейнов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 40 печатных работ из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 233 наименований. Общий объем работы - 275 страниц, в том числе: 18 таблиц, 106 рисунков.
