Содержание к диссертации
Введение
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЩСТАМЕНШ О ПРОЦЕССАХ НАГРУЖЕНШ, ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В МАССИВЕ
1.1. Выбор показателей, характеризующих протекание геомеханических процессов в массиве (анализ гипотез горного давления) 15
1.2. Факторы, влиящие на прочностные и деформационные характеристики углей и горных пород при механических испытаниях 26
1.3. О результатах механических испытаний горных пород и углей на установках трехосного неравнокомпонент-ного сжатия 33
1.4. Теоретические методы изучения компонент напряжения и деформации горннх.ЙФрода'ір угольных пластов в массиве 48
1.5. Постановка задачи исследования, реализация работы, использование результатов 64
ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, ОПИСЬЮАЩЕЙ ПРОТЕКАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЕЬЕЙЙНОГО НАГРУЖЕНШ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА (СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)
2.1. Термодинамическая интерпретация протекания геомеханических процессов в угольном пласте впереди забоев очистных и подготовительных выработок 72
2.2. Выделение переменных и параметров физической системы угольный пласт в процессе его нагружения в зоне "нетронутого" массива 80
2.3. Выделение переменных и параметров физической системы угольный пласт в зоне влияния выработки при активном нагружении 87
2.4. Характер изменения переменных и параметров физической системы угольный пласт в зоне предельных состояний 98
2.5. Разложение тензора главных напряжений физической системы угольный пласт в различных зонах нагружения 109
2.6. О критериальных условиях для переменных и параметров физической системы угольный пласт 118
2.7. Выбор характерных стадий протекания геомеханических процессов перераспределения напряжений
в угольном пласте в зоне влияния выработки 124
2.8. Краткие выводы 129
3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ „ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕЙ В ОБЪЕМНОМ НАПРЯ ЖЕННОМ СОСТОЯНИИ 132
3.1. Обоснование условий нагружения в методике механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии 133
3.2. Результаты механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии , 152
3.3. Энергетический критерий прочности углей в объемном напряженном состоянии 192
3.4. Включение параметров вида напряженного состояния в определяющие уравнения механики сплошных сред для описания деформирования углей при объемном нагружении 212
3.5. Краткие выводы 218
4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В МАССИВЕ И АНАЛИЗ НАТУРНЫХ НАШВДЕНЙЙ 223
4.1. Физическое моделирование геомеханических процессов, протекающих в угольных пластах и вмещающих породах в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии 225
4.2. Об экспериментальных наблюдениях особенностей нагружения и разрушения угольных пластов и вмещающих пород вблизи горных выработок 248
4.3. Составление дополнительных уравнений для оценки изменения механических свойств угольного пласта при влиянии реального объемного нагружения в массиве вблизи горных выработок 264
4.4. Краткие выводы 275
5. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПРВДЕЕЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В ПРИЗАБОЙНОИ ЗОНЕ В ОБЪЕМНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ 278
5.1. Физические предпосылки и допущения, учитываемые при составлении математической модели физической системы угольный пласт 279
5.2. Аналитические формулы определения компонент напряжения в породах кровли впереди забоев в объемном напряженном состоянии 285
5.3. Математическая модель расчета параметров изменения механического состояния и прочности угольного пласта в призабойнои зоне 296
5.4. Учет влияния горно-геологических факторов на параметры зон предельных состояний угольного пласта в объемном напряженном состоянии 311
5.5. Краткие выводы 320
6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНШ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ВЫБРОСООПАСНОЙ СИТУАЦИИ . 322
6.1. Физические представления о формировании выбросоопасной ситуации в мало прочном газо-насыщенном угольном пласте 323
6.2. Об оценке изменения механической прочности газо-насыщенного угольного пласта в приза-бойной зоне при протекании отдельных стадий формирования выбросоопаснои ситуации 332
6.3. Краткие выводы 339
ВЫВОДЫ И РЖОМЕВДАЦИИ 342
ЛИТЕРАТУРА 346
- Выбор показателей, характеризующих протекание геомеханических процессов в массиве (анализ гипотез горного давления)
- Термодинамическая интерпретация протекания геомеханических процессов в угольном пласте впереди забоев очистных и подготовительных выработок
- Обоснование условий нагружения в методике механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии
- Физическое моделирование геомеханических процессов, протекающих в угольных пластах и вмещающих породах в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии
- Физические предпосылки и допущения, учитываемые при составлении математической модели физической системы угольный пласт
Выбор показателей, характеризующих протекание геомеханических процессов в массиве (анализ гипотез горного давления)
При изменении горно-геологических условий разработки угольных пластов процессы деформирования и разрушения угольных пластов и вмещающих пород вблизи очистных выработок принимают различные нежелательные формы. При разработке крутых угольных пластов ( средней мощности и тонких ) могут происходить разрушения в виде высыпаний и обрушений. При выполнении горных работ на малопрочных и газоносных крутых и пологих угольных пластах в ряде случаев наблюдаются интенсивные отжимы и газодинамические явления. На более прочных пластах могут происходить горные удары. При переходе на большие глубины и выемку угольных пластов в районе Крайнего Севера свои особенности вносят меняющиеся термодинамические параметры - температура" Т ми энтропия и S ".
Изучение вышеуказанных и других геомеханических процессов осуществляется натурными наблюдениями, физическими экспериментами и аналитическими исследованиями. Однако в силу имеющихся различий прохождения геомеханических процессов в основе методики их исследования всегда лежат наиболее приемлемые для данных условий гипотезы проявления горного давления, или короче, гипотезы горного давления. Использование в решении задач по изучению геомеханических процессов положений наиболее приемлемой гипотезы горного давления дает возможность составить рекомендации о наиболее важных (основных) показателях, характеризующих прохождение изучаемого процесса.
Анализ гипотез горного давления целесообразно рассматривать в развитии фундаментальной горной науки - геомеханики и связывать с накоплением экспериментальных данных по механическим свойствам углей и горных пород и горных массивов и с требованиями горной практики. Естественно, что с развитием научных дисциплин (физика твердого тела, механика деформируемых сред, вычислительная математика) и электронно-вычислительной техники идет процесс более глубокого изучения геомеханических процессов и усложнения используемых гипотез горного давления в направлений увеличения числа влияющих факторов на изучаемый геомеханический пройесс. К первому этапу развития гипотез горного давления можно отнести так называемые гипотезы сил - гипотезу "свода" и гипотезу "балки". В их основе лежит физическое положение о том, что близлежащие породы непосредственной и частично основной кровли над горной выработкой разрушаются в виде свода или расслаиваются в виде плит. Возникновение этих гипотез можно объяснить следующими причинами. Во-первых,техническое развитие угольной промышленности в 20-х годах не предусматривало широкой механизации горных работ и поэтому требования практики к прогнозированию устойчивости горных выработок вполне удовлетворялись простыми решениями геомеханических задач на основе математического аппарата сопротивления материалов. Во-вторых, экспериментальные исследования по сдвижению толщи пород в массиве не проводились из-за отсутствия необходимой техники. В-третьих, в ряде случаев не был собран и обобщен материал по натурным наблюдениям. И, наконец, в-четвертых, еще недостаточно разработанными были аналитические методы описания процессов нагружения, деформирования и разрушения таких сложных систем, как вмещающие породы и угольные пласты. Таким образом, эти четыре причины и, возможно, другие вызвали развитие гипотезы "свода" и гипотезы "балки". Следует отметить, что гипотеза "свода" наряду со своей простотой правильно учитывает поведение слабой кровли. М.М.Протодьяконов [2] осуществлял механические испытания с сыпучим материалом и поэтому получил результаты опытов, подтверждающих разрушение в виде свода. Гипотеза "свода", обосновывающая форму разрушения пород кровли над выработкой в виде свода, имела в свое время достаточно много видних приверженцев. К ним относятся: П.М.Цимбаревич, В.Д.Слесарев,Н.М.Покровский, Р.Квапил и др. Укажем, что по данной схеме единственной характеристикой среды может быть принят коэффициент крепости по Протодьяконову f или предел прочности на одноосное сжатие 6"сж . Гипотеза "балки" [ 3 ] , которая соответствует случаю разрушения пород кровли средней крепости при изгибе в виде консоли или в виде балки, имеет значительно меньше последователей.
Термодинамическая интерпретация протекания геомеханических процессов в угольном пласте впереди забоев очистных и подготовительных выработок
При ведении горных работ в очистных и подготовительных выработках происходят геомеханические процессы в горном массиве, вызывающие дополнительное нагружение, деформирование и разрушение угольных пластов и вмещающих пород и отторжение их от массива. Различные геологические условия залегания полезных ископаемых, различные виды прикладываемых нагрузок к породному массиву и угольному пласту, различные геометрические формы выработок - все это создает многообразие протекающих в массиве горных пород геомеханических процессов и специфические условия для их теоретического описания.
В настоящее время интенсивно разрабатываются угольные пласты в так называемых сложных горногеологшческих условиях. Освоение угольных пластов на глубоких горизонтах, выемка угля из крутых и пологих угольных пластов с повышенным газовыделением, горные работы в районах Крайнего Севера и некоторые другие условия создают дополнительные трудности для добычи угля. Дело в том, что при выполнении горных работ, совершающих, казалось бы, незначительные воздействия на локальную зону породного массива и угольного пласта, породы и уголь разрушаются таким образом, что вовлекают в движение значительные зоны пород массива, вызывая тем самым различные нежелательные процессы (. разрушения, высыпания, обрушения, нарушения устойчивости выработок, динамические и газодинамические явления).
При анализе таких процессов резко возрастает роль теоретических исследований, так как на их основе может быть осуществлено прогнозирование нежелательных процессов и разработка мер борьбы с ними.
В достаточно общем виде логический ход рассуждений, позволяющих наметить переход от качественных оценок геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород вблизи выработок, к количественным расчетам величин характерных переменных и параметров исследуемых процессов, выглядит следующим образом.
В массиве горных пород при ведении горных работ совершается большое число различных геомеханических процессов. Но все это многообразие проникнуто некими общими закономерностями (чертами), которые содержатся в каждом из геомеханических процессов.
Выявление общих черт (закономерностей) может быть осуществлено посредством изучения основного свойства общей физической системы. Это свойство заключается в том, что движение или изменение состояния системы выражается путем изменения величин ее переменных и параметров. Обычно на физическую систему накладываются только требования непрерывности ее переменных и параметров.
Обоснование условий нагружения в методике механических испытаний углей в объемном напряженном состоянии
Механические испытания углей и горных пород на установках трехосного неравнокомпонентного сжатия позволяют получать прочностные показатели и устанавливать закономерности деформирования углей и горных пород в объемном напряженном состоянии.
Сущность испытаний заключалась в установлении зависимостей между задаваемыми усилиями (по трем осям нагружения) и получаемыми смещениями по тем же осям. Кроме того, определялась величина максимального сжимающего напряжения (показатель прочности fl3 ) и других показателей при заранее заданных режимах нагружения.(Все три усилия действуют по трем взаимно перпендикулярным направлениям на образец угля или горной породы призматической формы ).
Общие требования и методика отбора проб углей и пород к данным испытаниям соответствовали известным стандартам [160] .
В качестве аппаратуры при проведении механических испытаний образцов углей и горных пород в объемном напряженном состоянии использовались две установки (Дон ФТИ и ЙЕД им.А.А.Скочинского) и вспомогательные приборы и соответствующие методики для определения объемного веса, для высушивания образцов и для их "прозву-чивания" с целью получения динамических характеристик.
На установке Дон ФТИ АН УССР [59 ] независимо регулируются главные напряжения г , г и r . Пределы регулирования для призматических образцов с ребром 50 мм от 0,1 до 500 МПа. В установках трехосного неравнокомпонентного сжатия, изготовленных и эксплуатирующихся в ИГД им.А.А.Скочинского [60, 79] , также возможно нагружение образцов углей и горных пород по схеме сг &3
Подготовка к испытаниям осуществлялась следующим образом:
- заготовки для образцов угля получали выбуриванием кусков из угольного пласта. Затем из заготовок изготавливали образцы кубической формы со сторонами размером 45 -г 55 мм на камнерезной машине;
- специальные требования предъявлялись к параллельности и перпендикулярности поверхностей. Торцевые поверхности образцов при необходимости обрабатывались шлифовальным порошком. Параллельность торцевых поверхностей контролировалась индикатором по двум взаимно перпендикулярным плоскостям. Отклонения от параллельности допускались не более 0,1 мм. Перпендикулярность торцевых поверхностей контролировалась поверочным угольником в четырех точках торцевых поверхностей. Допускаемые отклонения при каждом замере не превышали ОД мм от высоты образца в каждой из параллельных плоскостей;
Физическое моделирование геомеханических процессов, протекающих в угольных пластах и вмещающих породах в призабойной зоне в объемном напряженном состоянии
Разработка угольных пластов в сложных горно-геологических условиях, при которой возможны реализации нежелательных механических и динамических явлений, предъявляет новые повышенные требования к решению геомеханических задач, заключающиеся в более детальном рассмотрении характерных черт протекания процессов на-гружения, деформирования, изменения механической прочности и разрушения угольных пластов и вмещающих пород вблизи горных выработок.
Учитывая значительные затруднения при получении количественных данных натурных наблюдений реальных явлений в массиве, становятся актуальными вопросы проведения физического моделирования в лабораторных условиях различных процессов, протекающих в массиве.
Для изучения проявлений горного давления часто используют плоские модели в виде свободно стоящих призм или же призм, ограниченных ограждением из прозрачного материала (стекла), с возможно малым коэффициентом трения между материалом модели и ограждающей стенкой [8] . В ряде случаев при моделировании геомеханических процессов в лабораторных условиях делаются попытки учесть реализующиеся плоскости разрушения в пласте. На рисунке 4.1, заимствованном из работы Г.Ирресбергера [181] , показана схема наносимых в породах кровли и почвы и в угольном пласте плоскостей скольжения с определенным углом к простиранию угольного пласта при моделировании проявлений горного давления. В ШГ& им.А.А Скочинского некоторые задачи по физическому моделированию напряженно-деформированного состояния и разрушения краевой части угольного пласта решаются на моделях из оптически чувствительных материалов, обладающих способностью к хрупкому разрушению [182] . Хотя механическая интерпретация изучаемых процессов нам представляется не совсем удачной, интересными, на наш взгляд, являются характерные трещины отрыва вблизи свободной поверхности (см. рис.4.2).
Особенно часто выполняются механические испытания на образцах углей и пород с насыщением их газом в установках трехосного сжатия с целью изучения механизма явления выбросов угля, породы и газа [183, 184, 185 и др.] .
Однако в упомянутых выше публикациях (и некоторых других) недостаточное внимание уделяется обоснованию условий физического и механического подобия процессов, протекающих в натуре и воспроизводимых на модели. Так как в настоящей работе обосновываются в определенной степени ранее не исследуемые физические представления об объемном нагружении угольного пласта и раскрываются новые возможности осуществления некоторых режимов нагружения на установках трехосного неравнокомпонентного сжатия, целесообразно остановиться на методических вопросах проведения физического моделирования геомеханических процессов, объемного нагружения, деформирования и изменения механической прочности пласта в массиве.
Физические предпосылки и допущения, учитываемые при составлении математической модели физической системы угольный пласт
Установленные закономерности протекания геомеханичеоких процессов объемного нагружения, деформирования, изменения механической прочности и разрушения, которые изложены во второй и четвертой главах, предусматривают при составлении математической модели физической системы угольный пласт принятие следующих положений:
- для теоретического анализа протекающих геомеханичеоких процессов выбирается физическая система. Изменение состояния этой системы определяется изменением термомеханических переменных и параметров, которые количественно описывают основные механические черты протекания геомеханических процессов;
- система уравнений для вычисления переменных и параметров составляется на основе математического аппарата механики сплошных сред и математических соотношений физики твердого тела. Допустимость применения уравнений механики сплошных сред длительное время обсуждалась многими отечественными учеными, такими как А.Я.Дин-ник, ВД.Слесарев, С.Г.Авершин, К.В.Руппенейт и др. Они сумели показать, что для решения определенного класса задач аналитической геомеханики, в частности, для анализа напряженного состояния и потери устойчивости пород массива вблизи горных выработок использование указанных математических уравнений возможно, так как протекание геомеханических процессов в массиве происходит в соответствии с законами механики;
- закономерное протекание геомеханических процессов объемного нагружения угольного пласта и вмещающих пород, как показано в главе 2,обуславливает характерное распределение всех трех главных напряжений. В связи с этим для определения термомеханичееких переменных и параметров термодинамической системы угольный пласт используются разрешающие уравнения, позволяющие производить расчет компонент объемного напряженного состояния;
- для учета особенностей протекания геомеханичееких процессої в угольном пласте в общую систему уравнений включаются зависимости, описывающие влияние истории нагружения (накопления поврежден-ности) и масштабного эффекта на механические свойства среды;
- принимаются также во внимание закономерности протекания геомеханических процессов скольжения разрушенного угольного пласта вблизи забоя. Математические соотношения для описания этих процессов предлагаются в ряде работ. Нами используются формулы, приведенные в монографии Г.І.Фисенко [129] .
При составлении уравнений для определения переменных и параметров термодинамической системы угольный пласт также принимаются определенные допущения.
Это касается выбора граничных условий для решения пространственной задачи равновесия пород кровли и угольного пласта в массиве вблизи выработок. Использование смешанных граничных условий для составления разрешающих уравнений хотя и представляется целесообразным, но содержит определенные затруднения. Прежде всего следует иметь комплекс представительных натурных данных по шахтным замерам, что трудно выполнимо. Уместно привести в подтверждение следующее замечание А.М.Линькова [101 ] : "Важной особенностью задачи об опорном давлении является отсутствие сколько-нибудь надежных реологических соотношений для предельно-напряженного материала. Это объясняется как сложностью структуры реальных пластов (типа угольных), разбитых несколькими системами трещин, так и тем, что деформирование материала может происходить не только на вое 281
стающем, но и на падающем участке кривой относительная деформация - напряжение. Поэтому вряд ли оправдано использование на границах предельно-напряженной зоны кинематических условий, т.е. условий, сформулированных в терминах смещений или их скоростей". Соглашаясь с таким замечанием А.М.Линькова, следует указать, что недостаточное число данных наблюдается не только по реологическим соотношениям, а вообще по соотношениям неупругого деформирования горных пород и углей и особенно в сложном напряженном состоянии. В связи с этим целесообразно формулировать решения геомеханических задач в терминах напряжений, где при составлении граничных условий не требуется использования экспериментальных данных механических свойств угольных пластов и вмещающих пород, полученных в натурных условиях. В теоретических исследованиях геомеханических процессов нами применялись известные уравнения, разработанные Л.А.Галшшм [126] и А.И.Лурье [108 ] (решение задач объемного равновесия среды после вдавливания штампа) и Б.Г.Галеркина [114] (анализ объемного напряженного состояния толстостенной плиты). В обеих расчетных схемах, которые неоднократно использовались при решении различных геомеханических задач [125, 214, 215 ] , требуется задавать осевое напряжение &33 и другие компоненты напряжения как функции координат ас/л Xjt на опорной плоскости z3 = Q.
