Способ моделирования эквивалентными материалами структурных ослаблений горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 Е 21 С 39/ ИЯ Н ТЕ ТО ИДЕТЕЛ.ЯСТВУ Изучение проявлеа моделях. М.: Угле ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСА ИЕ И 1(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт галургии(54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ СТРУКТУРНЫХ ОСЛАБЛЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Использование; область моделирования при изучении процесса сдвижения горИзобретение относится к области моделирования и может быть использовано при изучении процесса сдвижения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.На йроцесс сдвижения влияют структурные ослабления, образовавшиеся в массиве горных пород, К таким структурным ослаблениям относят контакты между слоями, поверхности расланцованности в метаморфических породах, контакты между различными литологическими разностями изверженных пород, тектонические трещины большого протяжения. зоны замещения одних пород другими. Они обладают некоторым сцеплением. Например, на Третьем Соликамском калийном руднике Верхне- камского месторождения обнаружено нарушение в вышележащей толще, Обработка на этом руднике ведется камерной системой с-2ных пород при разработке месторождений полезных ископаемых, Сущность изобретения: способ включает создание структурных ослаблений полосками из искусственноо материала с размерами, равными ширине модели и высоте закатываемого слоя, с нанесекйем на них равномерно распределенных по площади отверстий, размер которых определяют в зависймости от сцепления структурного ослабления в натурных условиях, сцепления эквивалентного материала и размера отверстий в полоске, В качестве полосок искусственного материала -можно применять лавсан, целлулоид, бумагу. 1 з.п.ф-лы. Э податливыми целиками. Применение тех же параметров в зоненарушения может приве- в сти к возникновению водопроводящих трещин в водозащитной толще и затоплению рудйика, Необоснованйое увеличение пара-ц метров приведет к гютерям полезного ископаемого и его удорожанию,фьМетод физического моделирования по- О зволяет получить безопасные и оптималь- СО ные параметры отработкипри этом важноезначение имеет воспроизведение сцепления в нарушении,иепйИзвестен способ моделирования, при котором на моделях из эквивалентных материалов воспроизведение трещиноватости осуществляется насечками ножом только что изготовленного слоя, который не успел схватиться (в смесях, цементированных гипсовым раствором) или остыть (в смесях, цементированных парафином), Заданную10 15 20 трещине, эквивалентного материала и эквивалентного материала с искусственным ма пространственную ориентировку трещины осуществляют наклоном ножа во время нарезки, Ножи (пластинки) могут оставаться в слое до полного его охлаждения или удаляться сразу же после нарезки кливажа.Недостатком такого способа является то, что моделируемые трещины имеют сцепление, близкое к нулю, изменить которое в данном случае невозможно, например требуемое сцепление при моделировании нарушений составляет 0,5 сцепления массива. В этом случае точность воспроизведения сцепления известным способом будет низкая. Известен также способ, по которому перед заливкой твердеющей смеси в форму в ней устанавливают пространственную модель трещин из сгораемого или испаряюще. го материала, после чего прокэливают модель до сгорания или испарения матери ала модели трещин, при этом твердеющая эквивалентная смесь несгораема.Недостатками известного способа являются нерегулируемость сцепления между слоями, изменение физикО-механических свойств эквивалентного материала при его нагреве до температуры горения, тем самым нарушается принцип подобия модели натуре (связующие эквивалентного материала парафин, канифоль имеют температуру плавления 140 - 170 С). Этим способом воспроизвести сцепление по трещине невоз можно, поэтому достоверности процесса моделирования не будет.Целью изобретения является повышение точности моделирования. Поставленная цель достигается тем, что определяют коэффициенты сцепления по териалом полоски, отверстия выполняют равномерно по площади полосок искусственного материала, причем суммарную площадь отверстий определяют из выраженияЯ 1 =Яг ( - )Кт С 1Км Кмгде Я 1 - площадь создаваемых отверстий в полоске, смг;Я 2 площадь полоски, см,й,Ктр - коэффициент сцепления по трещине, кг/смг;Км - коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см;г,С 1 - коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см,А в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцепления которого с эквивалентным материа 25 30 35 45 50 55 лом меньше коэффициента сцепления эквивалентного материала.Способ осуществляется следующим образом, В стенде изготовляют слоистую модель из эквивалентного материала свынимаемым пластом, В процессе изготовления модели, начиная от пласта, изготовляют тектоническое нарушение следующимобразом. Подготавливают полосу тонкогопластичного материала шириной, равнойширине модели, Длина полосы соответствует длине тектонического нарушения на модели. Полосу разрезают на полоски свысотой, равной закатываемому слою, чтобы не нарушить сдвижение по контакту слоев и сохранить слоистость вокруг трещины,Вполосе прорезаются отверстия, размер которых определяют из выраженияЯ 1 Ктр С 1Я 2 Км Кмгде Я 1 - площадь создаваемых отверстий вполоске, .мг;Яг - площадь полоски, см;2,Ктр коэффициент сцепления по трещине, кг/смг;Км - коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см;С 1 - коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см,По приведенной формуле можно определить площадь отверстий, форма которыхможет быть самая разнообразная, в зависимости от удобства изготовления. Для простоты, примем отверстия квадратной формысо стороной квадрата "а". Выбор размера"а" зависит от высоты слоя или ширины модели, чтобы размер "а" был вЗ или более разменьше высоты слоя, тем самым обеспечивая лучшую равномерность расположенияотверстий,Количество отверстий определяют повеличинам: Яи "а", располагая их равномерно на полосе.Коэффициент сцепления вдоль по трещине может изменяться, Тогда соответственно изменятся размеры "а" и "Ь".Полоска вставляется в модель в нужномнаправлении одновременно засыпаетсяпорция эквивалентного материала в стенд иразравнивается. Сверху покрывается картоном и производится укатка по известнойтехнологии.Для моделирования сцепления по контакту слоев порядок действий остается тотже самый. В качестве материала полосыприменяется бумага с низкими прочностными свойствами, например газетная, бюварнэя, в которой прорезаются отверстия,5 10 15 го 30 40 45 50 размеры которых определяются по формуле . Полосы бумаги укладываются на укатанный слой, После этого засыпается ровным слоем эквивалентного материала и укатывается.Используя теорию прочности Кулона; основанную на предположении, что сопротивляемость породы сдвигу по рассматриваемой площадке равна сумме сцепления и величины, пропорциональной нормальному напряжению на этой площадке, запишемС =:Т; - щГО,где:Т: - абсолютная величина предельного напряжения сдвига;сдам - коэффициент внутреннего трения (Р - угол внутреннего трения);0 - нормальное напряжение,Испытания по определению сцепления искусственных материалов (бумаги, лавсана, целлулоида) с эквивалентным материалом проведены в матрицах. Так как коэффициент сцепления определяется на единицу площади, замеряют площадь матриц, Полученную нагрузку сдвига относят к площади матрицы, Поэтому сцепление в структурных ослаблении модели можно изменять площадью контактов, разбивая для этого требуемое направление плоскости структурного ослабления на площадки, по которым изменяют коэффициент сцепления.Сцепление структурного ослабления удобно задавать в частях от сцепления в толще, т,к. не требуется в этом случае пересчет на подобие. Ка основании известных данных, полученных в натурныМ условиях, коэффициент сцепления структурных ослаблений может изменяться в пределах от 0 до 0,5 сцепления массива,Сцепление Км используемого песчанопарафинового материала составляет 0,4- 0,8 кг/см . При использовании в качестве материалов для полосок бумаги, лавсана, целлуойда в песчано-парафиновых моделях получается, что СКм, поэтому при выборе размера отверстий в выраженииотношение С, /Км будет мало и им пренебрегают,После изготовления модели производят ее испытания, по результатам которых можно судить о влиянии нарушения на состояние водозащитной толщи при выборе оптимальных параметров отработки,Точность моделирования (испытания) зависит от точности воспроизведения сцепления нарушения в модели, При сцеплении структурного ослабления, равном 0,5 сцепления модели, и коэффициенте сцепления эквивалентного материала 0,6 кг/см получим коэффициент сцепления структурного ослабления в предлагаемом способе 0,3 кг/см, а е прототипе 0,01 кг/см.Способом-прототипом не удается достичь цели, т,к, сцепление по трещине составляет 0,017 сцепления материала, а требуется 0,5.Моделирование нарушений предлагаемым способом повышает достоверность, т.к, позволяет учитывать по всей траншее коэффициент сцепления. Пример конкретного применения, Целью моделирования является выбор параметров отработки пласта Кр 2, Третьего Соликамского рудника, в районе нарушения, расположенного в водозащитной толще, Вынимаемая мощность пласта 2,5 м, глубина залегания 310 м.По натурным исследованиям установлено, что в существующем нарушении над 1 панелью, коэффициент сцепления в два раза меньше чем в толще.Для моделирования использовалась модель масштаба 1;300, слои модели разделялись чешуйчатой слюдой, т.к. данные о сцеплении по контактам отсутствуют. Слои имеют горизонтальное залегание,Мощность наносое 10-15 м, применяемый эквивалентный материал для них состоит из кварцевого песка 97% и минерального масла 3%. Водозащитная толща 150 м, состав эквивалентного материала: песок - 60%, мика - 30%, парафин - 10%, Для остельной толщи: песок - 70%, мика - 25%,парафин - 5%. В качестве искусственного материала для полосок (трещин) применялся лавсан Размер полосок 300 мм (ширина модели) Х 20 мм (высота слоя). Высота трещины 600 мм. Количество полосок равно 600:20 = ЗО штук, Форму отверстий принимаем квадратную с размером "а", равным 20:3 = 6 мм.Проведенными испытаниями по одределению коэффициента сцепления эквивалентного материалаустановлено значение 0,7 кг/см . Коэффициент сцепления эквивалентного материала с лавсаном равен 0,02 кг/см, В формулеотношение С/К" не учитываем, т.к, С К тогда31 К= - = 0.5,32 Км Расположив отверстия равномерно на полоске с осью симметрии 45, определим Ь = 6, 0.41 = 2 5 мм.По размерам "а" и "Ь" вырезаем отверстия в полосках.В процессе изготовления модели в слоях устанавливают полоски вдоль трещин. После изготовления модели ее оснащают1765398 Составитель Л.СтариковТехред М,Моргентал Корректор О,Густи Редактор. А.Бер Заказ 3364 Тираж - . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Г)роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 датчиками, тензометрами для снятия информации.В процессе испытания модели отрабатывают пласт. В результате обработки информации получают графики сдвижений и деформаций поверхности и толщи, с учетом которых принимают безопасные йараметры отработки.Прйменяемые параметры камерной системы отработки пласта до подхода к нарушению составляют а = 10 м, Ь = 9 м. Результаты моделирования показали, что в зоне нарушения, определяемой- углаМи сдвижения, безопасные параметры будут равны а = 5 м, Ь = 10 м.Способ-:прототип не позволяет задавать величину сцепленйя-как-в на руйейиях, так и между слоями, тем самым снижается достоверносГь принимаемых параметров отработки пласта.Применение предлагаемого способа при моделирбваййй койтакта слоев горных пород позволит изменять величйну сцепления слоев по контакту, что приведет к увеличению достоверности решаемой задачи, Структурные ослабления влияют на процесс сдвижения толщи. При. расчете горизонтальных деформаций в местах нахождения структурных ослаблений вводится коэффициент перегрузки. На соляных месторождениях; - бпаснцх по прорыву: воды, изменяют горнотехнические параметры или оставляют целйки. Изучение структурных ослаблений йозволяет уменьшить потери полезного ископаемого, Увеличение точности моделированиясцепления структурных ослабле. ний позволит более надежно- определить параметры отработки полезнбгд ископаемого,: величйны сдвижений, деформаций толщи и поверхности. Моделирование без учета сцепления приведет к искажению результата; .Своевременное исследование нарушений в водоэащитной толще необходйм 0 в первую очередь для безопасного ведения горных работ на калийных рудниках. В результате затопления БКПРУв 1986 годуубытки государству составили десятки миллионов рублей. Повышая достоверность оп 5 ределения параметров отработки пластапутем моделирования в лабораторных условиях, снижаем степень угрозы затоплениярудника.Формула изобретения10 1. Способ моделирования эквивалентными Материалами структурных ослабленийгорных пород на моделях иэ эквивалентныхматериалов, включающий укладку эквива.лентного материала в форму и размещение15 в эквивалентном материале по заданнойсхеме полосок искусственного материала сотверстиями, б т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности моделирования, определяют коэффициенты сцепления20 потрещине эквивалентного материала и эквивалентного материала с искусственнымматериалом полоски, отверстия выполняютравномерно по площади полосок искусст венного материала, причем суммарную пло 25 щадь отверстий определяют,из выраженияЯ 1=З 2( - - -- ),Кт С 1Км Кмгде 31 - площадь создаваемых отверстий вполоске, см 2;30 32 площадь полоски, см 2;Ктр - коэффициент сцепления по трещине, кг/см;Км - коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см;35 С 1 - коэффициент сцепления эквивалентнбго материала с материалом искусственной полоски, кг/см 2. 2. Способ по пЛ, о т л и ч а ю щ и й с я 40 тем, что в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцеплений которого с эквивалентным материалом меньше коэффициента сцепления эквивалентного материала.45