Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих способов и средств определения параметров напряжённо-деформированного и предельного состояния не однородного углепородного массива 12
1.1 Оценка влияния надежности определения напряжённо-деформированного и предельного состояния пород на геомеханические и технологические параметры технологии подземной разработки угольных месторождений 13
1.2 Анализ технических средств и классификация способов определения свойств горных пород 17
1.3 Анализ методик, способов и средств прогнозирования напряженно-деформированного состояния однородных образцов 22
1.4 Анализ методик, способов и средств прогнозирования напряженно-деформированного состояния неоднородных образцов 26
1.5 Выводы. Обоснование актуальности разработки методики прогнозирования напряженно-деформированного состояния неодно родных образцов и массива осадочных горных пород 30
2 Лабораторные исследования закономерностей разрушения неоднородных породных образцов в условиях одноосного сжатия 31
2.1 Характеристика осадочных неоднородных пород Кузнецкого бассейна как объекта исследований 31
2.2 Методика и программа лабораторных исследований породных и искусственных образцов 34
2.3 Исследования характера деформирования и разрушения образцов из однородного материала 39
2.4 Исследования характера деформирования и разрушения образцов с неоднородными включениями 41
2.5 Выводы 44
3 Адаптация комплекса компьютерных программ прогнозирования напряженно-деформирован ного и предельного состояния породных образцов, породных слоев и угольных пластов с учетом их неоднородности 46
3.1 Обоснование возможности прогноза напряженно-деформированного и предельного состояния породного образца и углепородного массива методом конечных элементов 46
3.2 Алгоритм метода конечных элементов для прогноза напряженно-деформированного и предельного состояния неоднородных по родных образцов 51
3.3 Исследование процессов перехода горных пород в запредельное состояние 57
3.4 Выводы 77
4 Закономерности распределения напряжений и коэффициента повреждаемости в породных образцах, породных слоях и угольных пластах 79
4.1 Установление закономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в неоднородных породных образцах 79
4.1.1 Исследование влияния предела прочности материала однородного образца на характер распределения напряжений коэффициента повреждаемости 81
4.1.2 Исследование влияния предела прочности материала неоднородного включения на характер распределения напряжений и коэффициента повреждаемости 83
4.1.3 Исследование влияния площади неоднородного включения на характер распределения напряжений и коэффициента повреждаемости 86
4.1.4 Исследование влияния положения центра неоднородного включения в породном образце на характер распределения напряжений и коэффициента повреждаемости 89
4.2 Ззакономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в неоднородных угольных пластах 92
4.2.1 Характеристика объекта исследований 92
4.2.2 Закономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в краевой части пласта в середине лавы 96
4.2.3 Закономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости на сопряжении лавы с выемочными выработками 105
4.2.4 Закономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в окрестности подготовительной выработки. 107
4.3 Методика прогнозирования механических напряжений и деформаций в углепородном массиве с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей 112
4.4 Выводы 116
Заключение 117
Список использованных источников 121
- Анализ технических средств и классификация способов определения свойств горных пород
- Методика и программа лабораторных исследований породных и искусственных образцов
- Алгоритм метода конечных элементов для прогноза напряженно-деформированного и предельного состояния неоднородных по родных образцов
- Ззакономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в неоднородных угольных пластах
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из актуальных задач управления состоянием углепородного массива является изучение и профилактика негативного влияния неоднородности породных слоев и угольных пластов на геомеханические параметры выемочного участка и эффективность технологических процессов в очистных и подготовительных забоях. К основным неоднородностям углепородного массива относятся твёрдые включения и породные прослойки в угольном пласте, ложная кровля и почва пласта, дизъюнктивные нарушения, размывы и вздутия пластов, пустоты, плывуны и др. В зоне влияния этих неод-нородностей наиболее часто происходят обрушение и пучение пород, разрушения боков выработки при выдавливании слабых породных прослойков, зависание и внезапное обрушение линзообразных плит твёрдых включений. Следствием этих процессов являются аварии, инциденты, повышенный уровень травматизма, аварийные простои очистных и подготовительных забоев.
Существующие методики и алгоритмы прогноза геомеханических параметров систем разработки угольных пластов, как правило, не учитывают неоднородности угольного пласта, что приводит к непрогнозируемым отклонениям фактических параметров систем разработки и режимов технологических процессов от проектных.
Одним из основных направлений снижения негативного влияния неодно-родностей породных слоев и угольного пласта на эффективность и безопасность очистных и подготовительных работ является изучение закономерностей распределения механических напряжений и деформаций в углепородном массиве, оценка прочности неоднородного угольного пласта с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей, использование выявленных закономерностей и зависимостей для разработки методики расчёта геомеханических параметров систем разработки.
В этой связи актуальной научно-практической задачей является разработка и реализация методики прогнозирования напряжённо-деформированного со стояния неоднородных породных слоев и угольных пластов для обоснования геомеханических параметров очистных и подготовительных выработок, обеспечивающих их устойчивость в опасных зонах.
Работа выполнена в рамках: Федеральной целевой программы «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Алтае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии». Государственный контракт № Э0123, ГР 01200302559; Государственного контракта №38-6, заказ-наряд №12- «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объёмного напряжённого состояния при комплексном воздействии на горный массив механических инденторов и гидравлических струй», №ГР 01200117892; «Разработка теории миграции флюидов под влиянием переменных механических напряжений и температуры», задание Минобразования РФ, № ГР 01200409401.
Целью исследований является разработка методики прогнозирования механических напряжений и деформаций в углепородном массиве с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей для прогноза геомеханических параметров очистных и подготовительных выработок и обеспечения их устойчивости в опасных зонах.
Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей неравномерного распределения напряжений, деформаций и остаточной прочности угля и пород в окрестности неоднородностей в углепородном массиве для прогнозирования геомеханических параметров очистных и подготовительных выработок и обеспечения их устойчивости в опасных зонах. Задачи исследований:
1. Установить по результатам лабораторных испытаний закономерности изменения предела прочности неоднородных образцов при варьировании механических и геометрических параметров неоднородных включений.
2. Разработать алгоритм и адаптировать на его основе комплекс компьютерных программ количественного прогнозирования напряженно деформированного состояния породных образцов, породных слоев и угольных пластов с учетом их неоднородности.
3. Обосновать по критерию минимума разности предела прочности неоднородных породных образцов и расчётных напряжений параметры огибающей кругов Мора паспорта прочности пород.
4. Установить закономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в неоднородных породных образцах, породных слоях и угольных пластах.
5. Разработать методику прогнозирования механических напряжений и деформаций в углепородном массиве с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей для определения геомеханических параметров очистных и подготовительных выработок и повышения их устойчивости в опасных зонах.
Методы исследований: лабораторных испытаний неоднородных породных образцов; численного моделирования процессов деформирования и разрушения неоднородных породных образцов, породных слоев и угольных пластов; статистической обработки результатов исследований.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-предел прочности при одноосном сжатии неоднородных породных образцов увеличивается прямо пропорционально пределу прочности и относительной площади неоднородного включения;
-неравномерная дискретизация на конечные элементы исследуемой области породного образца, породного слоя и угольного пласта с последовательным увеличением объёмов конечных элементов от центра к периферии неоднородного включения сложной формы обеспечивает выделение аномальных зон в углепородном массиве по механическим напряжениям и остаточной прочности угля и пород;
-по минимуму разности предела прочности неоднородных породных образцов и расчётных предельных напряжений паспорта прочности пород ранжи руются и образуют последовательность по форме огибающей кругов Мора в виде параболической, показательной и линейной зависимостей;
-при объёмном напряжённо-деформированном состоянии углепородного массива по периферии неоднородного включения происходит скачок напряжений и остаточной прочности угля и пород, что приводит к нарушению сплошности пород и повышению вероятности газодинамических явлений;
-методика прогнозирования механических напряжений, деформаций и остаточной прочности в углепородном массиве с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей обеспечивает установление границ опасных зон в окрестности очистных и подготовительных выработок. Научная новизна работы состоит в:
-установлении линейной зависимости предела прочности при одноосном сжатии неоднородных породных образцов от предела прочности и относительной площади неоднородного включения;
-разработке алгоритма дискретизации на конечные элементы исследуемой области породного образца, породного слоя и угольного пласта с последовательным увеличением объёмов конечных элементов от центра к периферии неоднородного включения сложной формы посредством переменного шага дискретизации по радиусу и полярному углу в цилиндрической системе координат;
-обосновании предельной огибающей кругов Мора на паспорте прочности пород в виде параболической зависимости по минимуму разности полученных при лабораторных испытаниях разрушающих и расчётных предельных напряжений по трём вариантам огибающей кругов Мора;
-установлении разрыва сплошности углепородного массива на границах неоднородного включения в условиях объёмного неравномерного напряженного состояния;
-разработке методики прогнозирования механических напряжений и опасных зон в углепородном массиве с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
-результатами лабораторных испытаний 155 породных и искусственных образцов при варьировании предела прочности неоднородного включения в интервале 0-100 МПа;
-применением для лабораторных испытаний современного сертифицированного лабораторного оборудования (гидравлический пресс РІК - 500.01, компьютерные программы построения на мониторе диаграмм «напряжение-деформация», цифровая фотокамера);
-совпадением предела прочности пород при одноосном сжатии с рассчитанными методом конечных элементов механическими напряжениями в породных образцах, среднее отклонения не более 8%;
-соответствием форм и размеров полостей отжатого в очистном забое угля на пласте 25 шахты «Юбилейная» с твёрдыми включениями и зоны разрушения, установленной по результатам расчётов методом конечных элементов остаточной прочности угля в пласте с неоднородностями. Личный вклад автора состоит в:
-исследовании и установлении зависимостей предела прочности неоднородных породных образцов от предела прочности, площади и положения неоднородного включения, относительно осей симметрии образца;
-разработке алгоритма и пакета компьютерных программ для дискретизации на конечные элементы модели углепородного массива с неоднородными включениями и расчёта напряжений, деформаций и остаточной прочности угля и пород;
-сравнительной оценке шести паспортов прочности и обосновании в качестве оптимальной параболической формы огибающей кругов Мора на паспорте прочности пород по критерию минимума разности предела прочности неоднородных породных образцов и расчётных предельных напряжений;
-установлении концентраторов напряжений и разрыва сплошности угольного массива на границах неоднородного включения в условиях объёмного не равномерного напряженного состояния в средней части лавы и на сопряжениях с подготовительными выработками;
-разработке алгоритма и методики прогноза механических напряжений и зон разрушения угля в пласте с учётом пространственного расположения, формы и размеров неоднородностей.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей неравномерного распределения напряжений, допредельного и запредельного деформирования породных образцов и угольного пласта с учётом механических свойств, формы и размеров неоднородных включений для обоснования геомеханических параметров очистных и подготовительных выработок, обеспечивающих их устойчивость в опасных зонах.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:
-оценить по результатам единичных лабораторных испытаний и установленным зависимостям изменение предела прочности неоднородных образцов при варьировании прочностных и геометрических параметров неоднородных включений;
-прогнозировать напряженно-деформированное и запредельное состояние неоднородных породных образцов, породных слоев и угольных пластов.
-применять параболическую огибающую кругов Мора на паспорте прочности пород для оценки перехода угля и пород из допредельного в запредельное состояние;
-устанавливать геомеханические параметры очистных и подготовительных выработок, повышать их устойчивость в опасных зонах на пластах с неодрод-ными включениями.
Реализация работы. Результаты работы в виде рекомендаций по упрочнению углепородного массива в опасных зонах приняты и реализованы на шахтах «Абашевская», «Большевик», представлены на международной выставке-ярмарке «Уголь России и майнинг 2006». Научные результаты и практические рекомендации используются в учебном процессе в Сибирском государственном индустриальном университете при обучении студентов направления 130400 -«Горное дело».
Апробация работы. Основные выводы и результаты научной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых»: (2001, 2003, 2004, 2005), Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (2004, 2005), «Неделя горняка-2007» (Москва).
Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 9 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит список литературы из 132 наименований, 7 таблиц, 45 рисунков.
Анализ технических средств и классификация способов определения свойств горных пород
В настоящее время разработано множество прямых и косвенных методов определения механических свойств горных пород [8-16 и др.]. Для выбора наиболее простых и надежных методов целесообразно провести их с использованием разработанных классификаций. Например, Ю.М. Карташов предлагает следующую классификацию способов определения предельных параметров горных пород (рисунок 1.2). Проведенный анализ технический литературы, посвященной исследованиям способов и средств лабораторных испытаний горных пород, позволяет провести оценку эффективности этих способов. Оценка проводилась с позиции современных требований к экспресс-методам, включающим лабораторное оборудование (прессы, стабилометры, матрицы и др.), измерительные приборы с отображением их показаний на экране монитора ПК (экстензометры, тензо-нометры и др.), компьютерные средства обработки диаграмм испытаний с выдачей основных характеристик горных пород. В соответствии с указаниями требованиями к технологии лабораторных испытаний и формам представления результатов проведен анализ способов и технических средств. При одноосном сжатии (рисунок 1.3) в настоящее время наиболее широко используются цилиндрические образцы и образцы неправильной формы. Наиболее предпочтительными являются испытания цилиндрических образцов, так как можно определить деформационные характеристики с помощью наклеенных на поверхность образца тензодатчиков или закрепленных экстен-зометров. При этом предъявляются высокие требования к качеству обработки боковых поверхностей торцов и образцов. Соответственно, этот способ не может быть применен при испытании слабых пород и углей.
При испытании неоднородных образцов результаты характеризуются большим коэффициентом вариации, т.к. неоднородные включения в образце приводят к перекосу (нарушению соосности нагрузки) опорных плит пресса и искажению общей картины деформирования образца (рисунок 1.4). При испытании образцов неправильной формы требования к качеству подготовки образца для испытания снижаются, однако при испытаниях не представляется возможным получить деформационные характеристики образца. испытания образцов с параллельным расчетом параметров НДС образца посредством настройки программного обеспечения на каждом последующем этапе нагружения по измеренным деформациям на предыдущем этапе исследований. Однако для реализации этого варианта необходимо разработать соответствующее компьютерное программное обеспечение. Наименее надежными и изученными являются способы и средства испытания горных пород на растяжение. Этот способ широко применяется при испытании однородных одномодульных материалов, с примерно одинаковыми модулями деформации при растяжении и сжатии (металл, пластмассы). При испытании горных пород, обладающих существенной неоднородностью и трещиноватостью, результаты испытаний характеризуются изменением коэффициентом вариации в широких пределах. Поэтому, в последнее время пытаются получить достоверные результаты посредством применения косвенных методов: - раскалывание керна (бразильский метод) [8]; - раскалывание образцов неправильной формы и др. При этом, вследствие больших отклонений получаемых результатов от средних значений, пытаются провести массовый эксперимент: 10 -30 опытов на одном образце. Одним из недостатков этого способа является то, что расчет предела прочности при растяжении осуществляется косвенным методом или по эмпирическим формулам. Например, согласно ГОСТу [9] для определения предела прочности на растяжение, раскалывание образцов расчет производится по формуле где К - коэффициент пропорциональности, равный 0,64 при нагружении плитами и 1,00 - при нагружении клиньями; Р - разрушающая сила, кН; S - площадь разрыва образца, равная произведению диаметра образца на его длину, см2. В приведенной формуле не учитывается неоднородность приведенных образцов. По-видимому, для получения результатов испытаний неоднородных образцов целесообразно разработать новые алгоритмы определения прочности отдельных неоднородностей и образцов в целом, учитывающие не только форму и размер образцов, но и пространственное распределение неоднородностей в образце. Это возможно на основе интеграции современных технических средств с компьютерной обработкой промежуточных испытаний и численных методов прогноза НДС для построения паспорта прочности неоднородного образца. Испытания пород на срез проводятся с целью определения параметров резцов исполнительных органов выемочных машин.
Методика и программа лабораторных исследований породных и искусственных образцов
Искусственные образцы изготавливались из сухой строительной смеси «Геркулес» и воды в пропорции 1,5:1. Полученная смесь тщательно перемешивалась до получения однородной массы и заливалась в цилиндрические формы. Диаметр цилиндра составлял 50 мм, высота 90 мм. Испытания проводились через две недели после заливки смеси в формы. Образцы горных пород изготавливались из породных кернов, извлеченных из скважин посредством шлифовки верхней и нижней поверхности образца. Породные образцы из кернов слабых трещиноватых пород (уголь, аргиллиты, углистые аргиллиты) принимались неправильной формы, их испытание проводилось по методике, изложенной в первом разделе настоящей работы [97]. Искусственные образцы с неоднородными включениями изготавливаются следующим образом. До заливки смеси в форме закреплялся элемент неоднородности, в виде стальных шариков и кубиков, искусственных материалов с разными механическими свойствами, в том числе поролон для моделирования пустот. Для моделирования трещин в форму укладывались различные пленки. Для проведения испытания образцов на одноосное сжатие использовался пресс ИК-500.01. Пресс испытательный универсальный ИК - 500.01 соответствует утвержденному типу «Машины для испытания материалов на усталость ИК». Пресс предназначен для статических и малоцикловых испытаний образцов при нормальной температуре (от +15 С до +35 С) в соответствии с требованиями ГОСТ 10006, ГОСТ 8695, ГОСТ 1497, ГОСТ 11701, ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.503. Технические характеристики пресса ИК - 500.01 представлены в таблице В процессе испытаний проводилось поэтапное иагружение образца. По окончании каждого этапа проводилось фотографирование с помощью электронной фотокамеры типа Digital Still Camera SONY. Данный фотоаппарат оснащен объективом Carl Zeiss, позволяющим воспроизводить резкие изображения с отличной контрастностью, формирователь изображения W5/W15, общее количество пикселей фотоаппарата 5255000, управление экспозицией автоматическое. В автоматизированном режиме фиксировались деформации и прилагаемая нагрузка. На рисунке 2.2 приведен характер, а на рисунке 2.3 диаграмма деформирования искусственного образца. На диаграмме рисунка 2.3 по вертикальной оси указана вертикальная нагрузка Р на образец в кН, а по горизонтальной оси абсолютная вертикальная деформация Л1 боковой поверхности образца на базе /= 20мм. Относительные деформации є вычислялись по формуле Из сравнения рисунков 2.2 и 2.3 следует, что разрушение материала образца происходит посредством формирования вертикальных трещин, что подтверждается изменением графика деформирования на диаграмме "нагрузка-деформации" рисунка 2.3. После образования сквозных трещин материал переходит в запредельное состояние, что отражается на диаграмме в виде ниспадающего графика.
По результатам каждого испытания по известным продольным и поперечным деформациям и вертикальным напряжениям определялись модуль упругости и коэффициент Пуассона материала образца. При испытании искусственных образцов с неоднородными включениями, также проводилось фотографирование и измерение деформаций боковых поверхностей образца. После разрушения образца последний разбирался по образовавшимся трещинам на куски и проводилось фотографирование положения неоднородного включения, трещин, в том числе в окрестности неоднородного включения. В процессе исследований образцов без включений и с неоднородными включениями варьировались механические свойства материалов и пород образца, механические свойства материалов неоднородных включений, формы и размеры неоднородных включений и их положение относительно осей образца. Пределы изменений указанных параметров приведены в таблице 2.2. Согласно методике и программе на первом этапе исследований проводилось изучение характера деформирования и разрушения породных образцов из однородного материала. Для каждого состава строительной смеси изготавливались три образца. Размеры цилиндрических образцов во всех опытах принимались одинаковыми: высота 90 мм, диаметр 50 мм. По результатам испытаний трёх образцов в серии определялись среднее значение предела прочности при сжатии тсж и среднее квадратичное отклонение Лет от среднего значения. Аналогично вычислялся модуль упругости Е на линейном участке диаграммы "напряжения - деформации" рисунка 2.3 и отклонение модуля упругости ЛЕ от среднего значения.
Алгоритм метода конечных элементов для прогноза напряженно-деформированного и предельного состояния неоднородных по родных образцов
Для исследования принята модель породного образца цилиндрической формы, радиуса R и высотой к В соответствии с программой исследований рассмотрены следующие варианты граничных условий для численных экспериментов: Пространственное положение неоднородности в образце указывается расстоянием Rt (см. рисунок 3.4) от оси образца цилиндра. Высота и диаметр образца принимались в интервалах 30 R 50 мм, 1R h 2R. В соответствии с размерами образца проводилась его дискретизация на 9-14 цилиндров, т.е. по радиусу располагалось 10-15 точек, угол между полярными радиусами принимался равным 15. Форма неоднородности принималась соответствующей форме конечного элемента, т.е. тетраэдра (рисунок 3.3). Рассмотрены варианты с одним неоднородным включением.
По высоте образец разделен на 9 условных слоев. В качестве первого слоя принято стальное основание пресса, в качестве верхнего принята верхняя подвижная стальная плита пресса. Таким образом, общее количество тетраэдров составило 19440, а количество вершин тетраэдров - 11121. Учитывая, что в каждой вершине определялись три неизвестных смещения по осям X, Y и Z общее количество неизвестных составило 11121. Ширина полосы матрицы составила 1155, общее количество уравнений, при решении каждого варианта - 11121. Граничные условия задавались следующим образом: боковые поверхности цилиндра для варианта испытаний (рисунок 3.4,а) принимались свободными от нагрузки. На нижнем основании плиты пресса задавались вертикальные W=0 и горизонтальные Ux = Uy = 0 смещения. К верхней, подвижной плите прикладывалась нагрузка Р. Модуль упругости, коэффициент Пуассона принимались по результатам испытаний твердого включения (таблица 2.4). Модуль упругости образца и неоднородные включения варьировались в процессе испытания в соответствии с программой исследования (таблица 2.2).
При испытании образца в цилиндрической матрице (рисунок 3.4,6) на нижнем основании пресса необходимо принимать смещения Ux = Uy = W = 0. Толщину стенки матрицы и второго нижнего слоя модели рекомендуется принимать равной толщине дна матрицы hm = 15мм. В качестве материала для матрицы использовалась сталь СтЗ. При испытании образцов на раскалывание по образующей цилиндра (рисунок 3.4, в) по нижней и верхней образующей образца необходимо задавать распределенную нагрузку по его длине. На нижней образующей В-В вертикальные смещения W = 0. При испытании образцов по Бразильскому методу на нижней образующей образца по линии В-В вертикальные смещения W = 0. Сосредоточенная нагрузка Р прикладывается к точке С.
При испытании образца посредством вдавливания штампа цилиндрический образец нижним торцом устанавливается на неподвижную плиту, а к верхней прикладывалась нагрузка Р через цилиндрический штамп с плоским основанием. На нижнем основании образца Ux = Uy = W= 0 . Радиус образца должен быть более 10 радиусов штампа, т.е. R 10 Rw. Для реализации алгоритма МКЭ в соответствии с указанными условиями проведения эксперимента был модифицирован вариант, приведенный в подразделе 3.1, пространственного расчета НДС [60, 61]. Программный комплекс позволяет определить полный тензор напряжений и деформаций образца, в т.ч. с учетом влияния неоднородного включения. Ниже приведены результаты тестирования пакета программ, адаптированного к схемам испытаний, приведенного на рисунке 3.4. На рисунке 3.5 в качестве примера приведены изолинии распределения вертикальных напряжений и смещений в поперечном горизонтальном сечении породного образца. Как следует из рисунка 3.5 на периферии неоднородного включения происходит скачок напряжений в поперечном сечении образца, что приводит к формированию касательных напряжений и трещин. Это хорошо подтверждается после разделения разрушенного неоднородного образца на отдельные куски по трещинам и отдельностям.
Ззакономерности распределения напряжений и коэффициентов повреждаемости в неоднородных угольных пластах
Как отмечалось в п. 2.1 настоящей работы углепородный массив Кузнецкого угольного бассейна характеризуется рядом особенностей, среди которых следует отметить неоднородное строение угольных пластов в виде твердых включений и прослойков породы. Типичными представителями не-однородностей являются твердые включения пластов 25,23,22,15 Байдаев-ского месторождения Кузбасса. Байдаевское угольное месторождение отрабатывалось ранее шахтами «Новокузнецкая», «Нагорная», «Байдаевская» и отрабатывается в настоящее время шахтами «Абашевская», «Юбилейная». Проблема отработки пластов с твердым включением состоит в том, что при механическом разрушении твердого включения повышается износ режущего инструмента, возникает фрикционное искрение, что является причиной взрыва метана и угольной пыли. Следовательно, необходимость прогноза напряженно-деформированного состояния в твердом включении и в его окрестности, с целью определения оптимальных режимов разрушения пород, управления горным давлением и предотвращения обрушений пород кровли, является актуальной практической задачей. В качестве объекта исследований принят пласт 25 Байдаевского месторождения. Участки ведения горных работ на шахтах «Юбилейная» и «Абашевская» расположены в приосевой части Байдаевской синклинали. Пласт 25 в стратиграфическом разрезе угленосной толщи залегает в 38 м ниже пласта 26а и является верхним пластом Ускатской свиты Ильинской подсерии Кузбасса. Ниже пласта 25 в 31 м залегает пласт 24. Пласт 26а на западной панели отработан, запасы пласта 24 мощностью 0,8-1,0 м отнесены к забалансовым. Общая мощность пласта 25 в пределах участка колеблется от 1,70 до 2,57 м, средняя -2,38 м. Средняя пластовая зольность 41,9%. Пласт содержит два породных прослоя (реже 3); верхний, средней мощностью 0,21 м (редко до 0,34 м) расположен в 1,25-1,52м от кровли, нижний, наиболее мощный — от 0,30 до 0,65 м (средняя 0,43 м).
Средняя мощность угольных пачек 1,72 м, зольность 10,5%. В связи с тем, что мощность нижней угольной пачки - средняя — 0,27 м, т.е. меньше мощности нижнего породнего прослоя, запасы этой угольной пачки не стоят на балансе шахты согласно действующим кондициям подсчета запасов. Пласт содержит неоднородные включения в форме линз карбонатных конкреции («колчеданы») в верхней половине пласта - редкие; в прикровель-ной части пласта практически слоем, размеры которых от 0,1x0,2x0,5 м до 0,45x3,5x5,5 м, крепость по шкале Протодьяконова от 5 до 12. Закономерность распространения «колчеданов» не выявлена, на отдельных участках колчеданы составляют 4-6 % по объему. Вмещающие породы пласта: ложная кровля мощностью 0,05 —0,5 м, представлена аргиллитом, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова f= 2-3, распространена не повсеместно; непосредственная кровля мощностью 1,0-6,0 м, представлена мелким алевролитом, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова/=3-4, неустойчивая до среднеустойчивой, породы склонны к расслоению; основная кровля мощностью 8,0-15,0м представлена переслаиванием алевролитов различной зернистости, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьконова/=3-7, по отдельным скважинам кровля представлена крупным алевролитом (/= 6) и песчаником {/=9, скважина №1241), легкообрушае-мая до среднеобрушаемой; активная кровля трудноуправляемая; ложная почва пласта мощностью до 0,35 м представлена мелким алевролитом и аргиллитом, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова 2-3, склонна к пучению; непосредственная почва мощностью до 3 м, представлена мелким алев- ролитом, устойчивая, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова /И. Основная почва представлена переслаиванием алевролитов различной зернистости, редко слоями песчаника, коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова/=4. В тектоническом отношении пласт 25 на западном крыле Байдаевской синклинали залегает с выкручиванием угла падения в сторону монтажных выходов пласта под наносы до 15. При ведении горных работ следует ожидать повышение интенсивности кливажа угля вследствие раскрытия природных трещин, возможно наличие мелкоамплитудных разрывных нарушений с амплитудой разрыва 0,1-0,3 м. Обводнённость пласта незначительная, ожидаемые водопритоки до 3-5 м3/ч. Природная газоносность пласта увеличивается с глубиной от 14,3 до 19,0 м /т. Пласт 25 опасен по горным ударам — с глубины 280 м; угрожаемый по внезапным выбросам угля и газа с глубины 370 м. Глубина ведения горных работ от 336 до 500 м. Уголь пласта 25 не склонен к самовозгоранию, угольная пыль взрывоопасна. В пределах участка имеются опасные зоны, в том числе зона ПГД от краевой части вышерасположенного пласта 26а; «колчеданы» опасны по фрикционному воспламенению метана при резании; «колчеданы» опасны по обрушению при их обнажении. На рисунке 4.6 показана схема выемочного участка с положением твердого включения в угольном пласте. При моделировании распределения НДС в зоне влияния твердого включения рассмотрим его влияние твердого включения, расположенного в краевой части пласта середины лавы (точка 1, рисунок 4.6) и на сопряжении лавы с выемочными выработками (точки 2, рисунок 4.6).
