Разработка методики и технических средств определения напряжений в моделях из эквивалентных материалов при исследовании геомеханических процессов Зуев, Борис Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. При дальнейшем развитии горнорудной промышленности растёт объём и удельный вес добычи полезных ископаемых с глубоких горизонтов, что приводит к возрастанию опасности горных ударов, внезапных выбросов угля и газа, потере устойчивости выработок. Для предотвращения этих явлений все большее значение приобретают исследования полей напряжений в горном массива в области расположения выработок. На больших глубинах с ростом напряжений исследования приходится вести при неупругих и необратимых деформациях горного масоива, разрывах его сплошности.

В этих условиях один из наиболее эффективных способов исследования полей механических напряжений основывается на использовании метода моделирования на эквивалентных материалах (ЭМ). Метод позволяет на основе инженарно-геологичеохих данных разведки смоделировать горный массив с расположенными в нём выработками, ведение горных работ; установить закономерности распределения напряжений в горной массиве и пересчитать их на натурные условия по формулам теории подобия. Более интенсивному и полному проведению таких исследований препятствует низкая достоверность результатов измерений, полученных с помощью применяемых методик и средств, в широком диапазоне моделируемых структурных и деформационных параметров.массива, величин напряжений и их градиентов; невозможность определения динамических напряжений. Поэтому весьма актуальна разработка методики и технических средств надежного определения напряжений с учётом воздействия всего комплекса, влияющих факторов и пригодных для исследования большинства решаемых на моделях геомеханических задач.

Диссертационная работа являетоя итогом исследований, проведенных в соответствии с тематическим планом ВНИМИ в 1984-I99Q г.г. по. темам: 0220103000 "Усовершенствовать методику и технические средства изучения горного давления на моделях из эквивалентных материалов с целью расширения области использования метода и разработки теоретических оонов проведения комплексных экспериментов" (ГР * 01850004378); 02933Ш000 "Проведение научно-иооледовательских работ по обоснованию перспективных научных направлений исследований за моделях из эквивалентных материалов и модернизации технических зрвдетв в лаборатории моделирования (ГР Я 01850046327); 0239049000 'Развитие методов физичеокого и математического моделирования и исследования свойств-, состояний и геомеханических процессов в массиве горных пород для обоснования проектных решений при строительстве, реконструкции и эксплуатации шахт отрасли" (ГР Я 01880087566); )292827001 "Моделирование процесса сдвижения на моделях изэквива-

лшгошх материалов" (ГР й 0I90005I525).

Цолью работы является разработка методики и технических средств надежного определения напряжений в моделях из ЭМ, не искажающих моделируемые процессы в широком диапазоне горно-геологичео-ких и горнотехнических условий.

Основная идея заключается в обеспечении определения статических и динамических няпряжений в моделируемом массиве с заданной точностью за счет подбора оптимальных деформационных, геометрячео-ких и функциональных параметров первичных средств измерений и pas-работке методики их применения в мелкодисперсных средах с упругими и неупругими деформациями при широком диапазоне изменения градиентов исследуемых полей напряжений.

Методы исследований. В работе использован комплэко методов исследований, включающий изучение и анализ взаимодействия средств определения напряжений и моделируемых горных пород при .воспроизведении геомеханических процессов, составление программ для расчета на ЭВМ основных параметров датчиков давлений и обработки результатов измерений; разработку конструкции датчиков, исследование воздействия на нее влияющих факторов с помощью разработанных методик; оценку точности измерений на оснозз вероятностно-статиотичеоких критериев и проверку работоспособности разработанных оредотв при исследовании геомеханических' процессов.

Научные положения, вынооимня на зашит?:

1. увеличение приведенного модуля деформации датчика на базе интегрального тенземодуля путем подбора его геометрических'и кест-костных параметров по разработанной методике с учетом ограничительных критериев, связанных о влиянием формы датчика, позволяет значительно расширять диапазон моделируемых деформационных параметров массива, пригодных для надежного изучения полей напряжений без существенного искажения исследуемых геомеханических процеооов;

2. степень воздействия статических влияющих факторов на точность определения напряжений снижаетоя до допустимых пределов

( суммарная относительная погрешность &ъ не превосходит 10 % на глубине Н более 70 м ) в ЭМ с модулями деформаций, не превышающими удвоенной величины приведенных модулей деформаций МДТ-2, расположенных в модели в соответствии с разработанными схемами, при этом точность определения экстремумов высокоградиентных полей напряжений превосходит точность прототипов (Д-2, ДТЛ, ДТП). Влияние динамических параметров исследуемых геомеханических процессов не приводит к более чем 5-процентному росту дополнительной погрешности, если максимальная частота их спектров не превышает 750 Гц;

3) во время обрушения основной кровли в опорных зонах модели-іуемнх очистных выработок протекает колебательный процесс динами-геского перераспределения напряжений с изменением относительной величины их максимальных значений К-тах на -0,5...+0,8 и расстояния до контура выработки Х,^^ - на -0,3...+0,7m. .

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

3. разработан метод оценки влияния характера распределения исследуемых напряжений и параметров датчика на точность определения их экстремальных значений;

4. разработан раечётно-экспериментальный метод оценки влияния формы и жесткости датчика на точность измерений, основанный на исследовании взаимодействия эквивалентной объемной модели датчика из оптически чувствительного материала с реальными ЭМ;

5. установлена закономерность, связывающая динамические параметры датчиков и изучаемых геомеханических процессов, исследовано их влияние на точность измерений напряжений;

6. разработан новый датчик на основе миниатюрного тензомодуля мембранного типа с высокими метрологическими характеристиками для определения напряжений в мелкодисперсных средах;

7. установлено существенное отклонение экспериментальных зависимостей, распределения напряжений в окрестности протяженной арочной выработки в пластичных породах на глубоких горизонтах (уН> 0,7R_cm), полученных в моделях из ЭМ от известных аналитических зависимостей: увеличении К_твг ,_ Хиих , степени их асимметрии, обусловленной арочной формой контура, зависящих от отношения VH/R_CH1 .

Личный вклад автора!

8. постановка задач исследований;

9. разработка методик определения основных параметров средств измерений и их точности с учетом влияния формы и жесткости датчиков;

10. разработка новой конструкции датчика давления на основе современных технологий;

11. проведение экспериментальных исследований фактического воздействия влияющих факторов на точность измерений с помощью разработанных методик;

12. установление областей надежного определения напряжений;

13. исследование распределения напряжений г окрестностях протяженных и очистных выработок, анализ и обобщенле полученных результатов.

Достоверностг. научных положений подтверждена большим объемом провэдзнких исследований в ЗС-ти объемных, 11:0 плоских моделях из ЭМ, в к Ю призмах -із ЭМ, градуирсвочныма испытаниями 500 датчиков

давления, результатами вероятностно-статистического анализа.

Научная ценность работы заключается в разработке методов и средств, позволяющих .с достаточной надежностью исследовать закономерности распределения механических напряжений в моделях из ЭЫ в условиях воздействия комплекса влияющих факторов, используемые при решении широкого круга геомеханических задач.

Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций датчиков, их метрологического обеспечения, позволяющих с незначительными трудовыми и материальными затратами определять напряжения при всех основных моделируемых геомеханических условиях.

Реализация работы. Основные результаты исследований вошли составной частью в "Рекомендации по измерению напряжений в моделях из эквивалентных материалов" (Л.: ВНИШ, 1985. - 39 с), в "Указания по эксплуатации микродинамоыетров для определения напряжений в мелкодисперсных средах" (Л.: ВНИМИ, '1989.- - 20 е.). Разработанные методы и средства определения напряжений применяются во ВНИШ, в ЛВВИСУ, в ВВУУ (ЧСФР).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на УІ Всесоюзном семинаре (Новосибирск, 24 - 26 мая 1988 г.), научно-технических конференциях молодых специалистов в мае 1983 и в марте 1988 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано II печатных работ, в том числе два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, трех приложений, изложена на 140 отр. текста, содержит 35 рисунков и 15 таблиц.