Введение к работе
Актуальность темы. Основная задача обеспечения безопасных условий ведения горных работ при подземной отработке месторождений водорастворимых руд (каменная соль, сильвинит, карналлит) - предотвращение опасности прорыва надсолевых вод в подземные горные выработки. В большинстве случаев это достигается использованием камерной системы разработки с поддержанием вышележащей толщи на целиках. При этом налегающие породы должны сохранять свою сплошность на весь срок службы рудника, играя роль водоупорного целика. В мировой практике известно более 80 случаев затопления соляных и калийных рудников в результате поступления надсолевых пресных вод в выработанное пространство. В качестве характерного примера крупных аварий, имевших место в последние годы, явилось затопление в 1986 году крупнейшего в Европе Третьего Березниковского рудника Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС).
Основной причиной аварий в большинстве случаев является несоответствие параметров камерной системы разработки (ширина камер и междукамерных целиков) горно-геологическим условиям конкретных отрабатываемых участков. Как правило, эти несоответствия приводят к разрушению целиков, сдвижению подработанной водозащитной толщи, образованию сквозных водопроводящих трещин, деформациям и разрушению объектов на поверхности. Для разработки способов предотвращения аварийных ситуаций необходимо проведение исследований физико-механических свойств горных пород и моделирование напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов подземных выработок. Поэтому эта работа, выполненная в рамках интеграционного проекта СО РАН и УРО РАН №191, является своевременной и актуальной. Финансовая поддержка в 2005 г. осуществлялась Российским фондом фундаментальных исследований (№ 07-05-96019 урал-а), интеграционных проектов СО РАН, УрО РАН, НАН Украины (№№ 05-11-04, 93, 2.19), в 2008 г. при финансовой поддержке РФФИ (№№ 06-05-64738-а, 06-05-64596-а, 08-05-00406-а, 08-05-00543-а, 08-05-00509-а), СО РАН и УрО РАН (интеграционные проекты №№ 2-14, 6.19, 18, 89, 93).
Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование деформирования и разрушения квазипластичных геоматериалов при простом и сложном видах нагружения.
Задачи исследований:
-исследовать влияние опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки – разгрузки) на вид кривых «напряжение-деформация» для образцов квазипластичных геоматериалов;
-построить зависимости «напряжение – деформация» для квазипластичных геоматериалов по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова, опираясь на данные экспериментов в условиях сложного нагружения;
-оценить разрушающие деформации квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения, исходя из построенных соотношений «напряжение – деформация» по моделям Чанышева и Леонова-Рычкова;
-построить огибающие предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания (среза) для квазипластичных геоматериалов по данным экспериментов в условиях сложного нагружения.
Методы исследований: экспериментальные и аналитические методы.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. Существуют особенности влияния опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки – разгрузки) на вид кривых «напряжение-деформация» для образцов квазипластичных геоматериалов.
2. Существуют единые зависимости «напряжение-деформация», построенные на основе математических моделей Чанышева и Леонова-Рычкова по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов. Количественная оценка разрушающих деформаций для квазипластичных геоматериалов, основанная на обратном пересчете по вышеуказанным моделям, находится в удовлетворительных пределах отклонения от исходных экспериментальных значений.
3. Существуют уравнения огибающих предельных кругов Мора с учетом угла среза образцов, построенные по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов.
Достоверность научных результатов обеспечивается: современным оборудованием, имеющим сертификат качества; последовательностью и строгостью математических выкладок; воспроизводимостью результатов экспериментов; непротиворечивостью полученных результатов результатам других исследователей.
Новизна научных положений:
- дополнение и уточнение сложившейся базы экспериментальных данных по простому и сложному нагружениям квазипластичных геоматериалов (пестрый сильвинит, каменная соль) при различных опытных условиях;
- построение зависимостей «напряжение – деформация» по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова для квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения и их использование для оценки разрушающих деформаций;
- введение при построении огибающих предельных кругов Мора нового математического описания параметра, характеризующего квазипластичные геоматериалы.
Личный вклад автора:
Личное участие автора заключается в: постановке целей и задач исследований, а также определении путей их решения; проведении экспериментов; обработке результатов опытов и их анализе; установлении зависимостей «напряжение – деформация» по математическим моделям Леонова-Рычкова и Чанышева; построении огибающих предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания.
Практическая ценность работы. Наблюдения, теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния целиков показывают, что характер их деформирования и разрушения подобен тому, что имеет место при испытании образцов. Это позволяет использовать полученные в работе закономерности и данные о механических свойствах геоматериалов при анализе напряженно-деформированного состояния характера разрушения и оценке устойчивости соляных междукамерных целиков.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научном симпозиуме «Неделя Горняка - 2007», Москва, МГГУ, 2007; семинаре «Геомеханика и геофизика - 2007», Новосибирск, ИНГГ СО РАН, 2007; конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, ИГИЛ СО РАН, 2007; XVII международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Алушта, 2007; научном симпозиуме «Неделя Горняка - 2008», Москва, МГГУ, 2008.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в четырех печатных работах из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, двух глав, заключения и приложения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 93 наименований.
