Введение к работе
Актуальность, Деформирование и разрушение горны* порол при проходке горных выработок на больших глубинах в ряде случаев носит аномальный характер, известный в литературе как "зональная дезинтеграция'. Зарегистрированное в 1992 в качестве открытия, явление зональной дезинтеграции до сих пор не нашло своего удоплетпо-рптелыюго объяснения.
Установленное в экспериментах нарушение монотонности деформирования пород п окрестности горных выработок, локализации разрушения на дискретных участках массива (зонах) затрудняет описание такого поведения пород на основе классических моделей механики сплошной среды.
Решение проблемы установления механизма зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок имеет важное значение для развития теоретической и экспериментальной геомеханики, а также для разработки технологии строительства горных выработок в условиях больших глубин.
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований Лг« 97-05-64923, РФФИ-ГФЕН Китая № 9в-' 05-00057с, Минобразования РФ (Ия 35603 Гр/СПГ-10), а также хоздоговорных тем с предприятиями цветной металлургии и угольной промышленности, проведенных с участием автора в 1978-1994 г.г. (понтера госрегистрации 77036161, 81026307).'
Цель работы заключается в установлении условий возникновения, механизма и закономерностей явления зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве пэкруг подземных выработок.
Основная идея работы заключается в экспериментальном воспроизведении аномальных эффектов деформирования и разрушения горных пород, применении методов механики сплошной среды с дефектами для анализа условий локализации отрывного разрушения пород в окрестности горных выработок.
Методы исследований включают лабораторные экспериментальные исследования деформирования и разрушения образцов горных пород, натурные экспериментальные исследования деформирования и разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок, ме- ,-тоды фотоупругости, аналитические методы механики сплошной среды с дефектами и механики разрушения.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их ли-шипа:
установлен механизм образования вокруг подземных выработок системы чередующихся разуплотненных и сжатых породных зон, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомронентного сжатия горных пород и обусловленного этим развитием микросдвиговых разрушений на неоднородностях среды, напряжения в массиве приобретают периодический характер, а на локальных участках (зонах) действия максимальных нормальных тангенциальных напряжений развиваются трещины отрыва, определяя сжатие рромежуточ-ных зон в нормальном к границе разуплотненных зон направлении;
экспериментально установлено явление разнознакового приращения деформаций по высоте образца горных пород при одноосном сжатии,-заключающееся в изменении знака приращения продольных и поперечных деформаций на участке развития трещины отрыва и одновременном приращении деформаций прежнего знака, существенно (аномально) превышающем характерный для данной породы уровень,
на прилегающих по высоте образца участках, что обусловлено распирающим действием сдвиговых трешинообразукмцих дефектов;
- выбрана и впервые применена в геомеханике модель сплошной среды с дефектами, на основе которой поставлена (совместно с М.А.Гузевым) и применена для анализа условий разрушения отрывом горных пород вокруг подземных выработок задача механики о напряженном состоянии невесомой плоскости с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым Лверстнем, равномерно нагруженным но контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку; при численном анализе решения которой установлена зависимость расстояния от центра сечения выработки до наиболее удаленной зоны отрывного разрушения or величины отношения гравитационных напряжений к величине предела прочности пород на одноосное сжатие, хороню согласующаяся с данными лабораторных экспериментов (максимальные отклонения 10%).
Досі'ов'ерность научных положении и выводов обеспечена: удовлетворительным согласованием измерений деформаций образцов различными методами (отклонение не превышало 7 %), полным удовлетворением граничных условий выбранного аналитического решения задачи механики, хорошим согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение не превышает 10 %), качественным совпадением результатов лабораторных и натурных -экспериментальных исследований.
Научное значение паботы заключаете» в установлении механизмов явлений аномального деформирования и разрушения горных пород вобразцах при одноосном сжатии и в массиве вокруг подземных выработок; разработке способа создания искусственных трещин, моделирующих трещины отрыва, развивающиеся в образце горных пород при сжатии; установлении закономерностей зонального деформироиа-
ния и разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок в условиях действия больших сжимающих напряжений; установлении закономерностей деформирования образцов горных пород при развитии трещин отрыва.
Практическое значение и реализация работы заключается в разработке способов крепления и поддержания подземных выработок в условиях зонального деформирования и разрушения массива горных пород; разработке рекомендаций по повышению устойчивости обнажений очистных выработок, отрабатываемых системой с магцзшшро-ванием в условиях зонально деформированного и разрушенного массива. Установленные в ходе экспериментальных и аналитических исследований закономерности дают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения подземных горных выработок в условиях больших глубин, создают предпосылки повышения надежности прогноза горных ударов, а также управления устойчивостью очистных выработок при естественном поддержании кровли.
Результаты диссертационной работы использованы П/О
"Приморскуголь" для разработки технологии проведения капитальных
выработок в условиях шахты им.Артема, П/О "Северовостокзолото"
для разработки технологии ведения работ в условиях рудника
нм.Матросова.. .
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на IV Всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород"(Новосибирск, 1982), II Всесоюзной конференции по проблемам механики подземных сооружений,(Тула, 1982), X Всесоюзном семинаре "Измерение напряженії» в массиве горных пород"(Новосибирск,1987), X Международной конференции но механике горных пород (Москва, 1993), XI Рос-
сийской конференции по механике горных пород "Russia Rock"
(Санкт-Петербург, .1997 ), Международной конференции "Экология и
безопасность жизнедеятелыгостн''(Влаципосток, 1994)," 51-ой .Между
народной научно-технической конференции молодых ученых, аспи
рантов и докторантов" (Санкт-Петербург, 1997), Международной кон
ференции ." Проблемы создания экологически чистых и ресурсосбере
гающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки от
ходов горного производства" (Тула, 1997 ), Международной конферен
ции "Нелинейные явления в дефектных материалах" (Тула, 1997), на
заседании Российской тоннельной ассоциации (Тула, 1996 ), на заседа
ниях семинара "Проблемы Механики подземных сооружении" (Тула,
1990, 1992, 1997,1998), на заседании семинара "Проблемы механики
дефектных сред" (Владивосток, 1996), на научном симпозиуме "Неделя
горняка-98" (Москва, 1993), на Московском научном семинаре акад.
Е.И.Шемякина (Москва, 1998), на научно-технических конференциях
ДВГТУ(1982- 1998). - ' ;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 основных печатных работ, п том числе ! монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введении, шести глав и заключения, изложенных на 190 страницах машинописного'Текста, и содержит 65 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 238 наименований и 2 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность академику РАН В.П.Мясмикову, профессору Ю.Н.Картнпюву, канд. физ.-мат. наук М.А.Гузеву за плодотворное творческое сотрудничество, канд.техн. паук В.П.Лушпего, профессору Б.И.Емельянову, профессору А.А.Кявтаськину за многолетнюю поддержку исследований, доктору физ.-мат. наук Ю.Е. Шнщмареву за внимание к работе и помощь .в ее организации, канд. техн. наук М.И.Звонареву, канд.техн.
наук Н.А.Николайчуку, инж. В.И.Рухмакову, канд.техн. наук М.Д.Ильинову, канд.техн. наук В.А.Коршунову, ст.научн.сотр. В.А.Козлову, за помощь в проведении исследований.
