Способ моделирования напряженного состояния горных пород

(51) 1 Е 21 С 39/00 ВсЕСОЮЗНАя ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТВУ,1Г 1 Рл, .,1 г, 1-Р,.С Е, Е:11(.) , р,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным породам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу(54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД(57) Изобретение относится к физическому моделированию напряженного состояния горных пород. Цель - повьппение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плавунных свойств. Для этого перед изгоИзобретение относится к способам лабораторных исследований при физическом моделировании напряженного деформированного состояния слабых рыхлых руд, находящихся под большим давлением, создающим угрозы образования выбросов этой руды с последующим аварийным затоплением выработок на десятки и сотни метров, вследствие перехода руды в плывунное состояние,гтовлением модели из исследуемого пав териала изготавливают модель из эквивалентного оптически активного материала с размещенным в ней зондом. Последний перемещают в материале, регистрируют картиру иэохром и тяговое усилие перемещения зонда. Затем оптически активный материал заменяют на исследуемьй . Последний укладывают послойно в воду, герметизируют, ступенчато повышают эффективн.е и поровое давление в модел.:. Повьппают давление фильтрационного потока по исследуемому материалу до наступления предельного напряженного состояния. Перемещают в этом материале зонд, регистрируют его тяговое усилие перемещения. Прочность исследуемого материала определяют ло математической ф-ле, Способ обеспечивает повышение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление подземных горных выработок обводнен. ными разностями рыхлых руд. 4 ил. Целью изобретения является повышение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плывунных свойств. На фиг. 1 изображена схема моделирования из оптически активного материала; на фиг. 2 - перемещение по оптически активному материалу зонда и снятие образующихся изохром вокругнего; г(з (ив, 1.е,:с -1(це 1(о картине изхром расчетных характеристик; на фиг.- схема 1 делирования из исследуемой руды, СГОСб Ь( иЛито Пт(И. НаряжЕНИОГО состояния горных и 1. и вкг;ючает два ЭтаПа, -Псдп (г .,.В(.1(1 и рэбСт(ийПодг; тон" е(. Ия зтл 1стоит в следующем,Б по(1(оуг(льну( 1 в ппдольном и 1 гоперечнои:лс 1(я.- икосгь 1 (фиг.1) укладывают оцти 1= к к г 1(ыч материал 2 г(а кст 1.;иу ,:1 1:тсит с: помощь(0 тдо. я 3 прот ("я Гь зс 1(1 4 11(и рина емкости 1 .(111 б л ь близка дамат( " я. - .; ; 1;ц 1нябк д(1.1; 1 и 1;:., г 1 1("(1( еЯнлеи опт(чески я ст(тз;:гматгцалаСТЕНКИ ЕМКет 1 11 ОВЯтт ИЗ ПРОЗ , г(, Ц( 1 ,: "1"1 Г 11 Я 11111 БЯЮТи,;т,( ;1 г, ( и : 1; е ; 1 :,1 , 1 ыйч,г.з 1 З ,: , ;:11 1: 11(тЕРИлУ ".: -.1 111-.-Р(1 ч (сЙб.т с 11. - .1:.(1 .:., (. г г 1 в пе( -этапу мо елиров:.11(ия, еняяглче кл яи:11й ;ег 1.н с "-дуеЯ ИЬй . Д,( оц,.1-, ви (т, емкост 11 1 тс .1 гГ(Е(11 Ь(Й,:1: ап. (1.1 Гче( ШИ 55 1 И. Я(1 1 "1",;(- г 1гег вы(,т 1(1,:, (р 1 иеЩя(т 1(е (тс ,41( , 1(т(.;11, (к 1 1 ЯЗО(1 Г 1(1 Л 1 Г. , -,1;, 1 . т( рачнсго материя;1, ця( ример из оргстекпа, когда уровевь ият(.1(яча 2 достигяет от(ет(тц 5.1 е(.".т вующейуровн 1 разиещевиг( -, ., 1(1 4. т(сладыВаЮт ЭОН(1 4 С тГСОИ 1, ,тярЕПЛявт дн нам(метр 6 и (оедиввюг тт 1 г барабат(ои , грь 1 (ля., црцподои 8В.; ЮИВ: В ПР; , ( УР г(;- О ( (Е 1 КИ5, У(;1,1,1(1;1(1 Ь 1 я Г.риал .т ВЕ "(1 СИтгт 111(и э : о ".1 1. Ф 11(1 (олго т(111( (1 к(". 1 . " ..1 Р пространство между перегородкой 11 и торцовой стенкой 1 О лоткз 10 ; х ладывают гравий 12, Вблизи стола 9 монтируют установку для создания фильтрационного потока в исследуемом материале. Установка состоит из камеры 13, поршня 14, груза 15 и соединительных труб 16 с запорно-регулировочным вентилем 17. Лоток 10 снабжают патрубком 8, представляющим собой модель выработки. На столе 9 около лотка 1 О размещают емкость (лоток) 19 для сбора отфильтровавюейся через модель иэ исследуемого материала 20 жидкости (воду) 21. Наполняют лоток 10 водт Р и укла,ыват в него иссле;у(мыл( материал 20, размещая в нем ;тятчикц давления, регистрирующие7,бщ(.е (поровое и эффективное) напряжение в лотке 10. (1 ля достижения однородностии укладываемого материала 20 в лоток 10 воду заливают порциями послойно и равномерно укладывают исследуемь(й материал, поскольку при укладке дисперсного материала в воду вня(яле оседают крупные тяжелые чагиць(, а зятем более мелкие. Урс вень 1 сды в лотке постепенно повышают по иере равном.-.рной ; кладки слоев ма"(риалл по площади лотка с тщятель(ь.м его уплотнением.1(да уровень уложенного в (отк 1 Р и 1(ериаа 20 достигает отметки 5ф(1:, 1 )с ответе твунщей отметке т,:. г(111 ИН трга 3, уКЛадЬ(накт На ПО- ( ет.(сть материала зонд 4, Ърос 3 (111 аб:яют дииамометрои 6, Для протягизсцдя 4 трос подоедиичют к :а(абя 1 у У ( пр;водом 8, Затем снова у,1 ад,1 аЮт ИСС 1 ЕдуЕМЬИ МатЕрИаЛ 20(т(веГ,1(еи а;метки 5 . На поверхность , . :е(. и(1 го материала угсладьпзают . (,1;"1 у. ОГОЛОЧГ,т 23, а СЕ ПОЛОС.тт: (, 11 г т . Источником 24 гидросгатисСК(Г(1 ДаЗЕ.ИЯ, Уста 1(аВЛИВают МННОие 1,; , о гмечающий величину порового т1530881 следуемом материале 20. Затем путем ступенчатого увеличения давления подаваемой по трубе 16 воды создают фильтрационный поток требуемой скорости по материалу 20. Фильтрацион 5 ный поток создают между перегородкой 11 и моделью 18 выработки, Заданное равномерное размещение отверстий в перегородке 1 обеспечивает требуемое равномерное истечение фильтрационного потока по поперечному сечению лотка 1 О. Для достижения расчетных значений прочности исследуемый материал выдерживают при заданной величине эффективного и порового давлений в течение времени, соответствующего периоду консолидации исследуемого материала при компрессионных испытаниях. Затем снова увеличивают давление 20 фильтрационного потока до тех пор, пока из патрубка 18 в лоток 19 начнет поступать мутная вода с мелкими частицами исследуемого материала. После начала помутнения воды сохраняют 25 постоянным достигнутое давление фильтрационного потока.Для определения прочностных характеристик исследуемого материала в условиях данного предельного напряжен ного еостояния с помощью троса 3 протягивают зонд 4 по исследуемому материалу и отмечают усилие натяжения троса динамометром 6. Затем определяют прочность материала по зависимос 35 Зависимостьполучена и: с,т.едующих предпосылок,Экспериментальными исследованиямис оптически активным материалом установлено, что при внедрении зонда вокруг него формируется поле напряжений (фиг. 2), иэолинии которого показывают направление увеличения напряженийсо значениями 1;=(2; 4; 6;8; 12; 16; 24 26; 28; 32) 10 Н/мвокруг зонда при соответствующей нагрузке Р. Вначале под действием осевой нагрузки Р зонд внедряется нанебольшую глубину, вызывая разрушениепороды в условиях сжатия, а затемпо мере углубки его в породу, возникают напряжения растяжения, в результате чего под вершиной конуса образу-,ется трещина разрыва (фиг, 2), которая распространяется вглубь по радиусу (фиг. 3, кривая ас), равном тремдиаметрам основания зонда. При этомот массива отделяется элемент породыаЬс с образующей конуса а 1 (фиг,2),распределяясь по сторонам в пределахзоны влияния конуса. Затем происходит дальнейшее внедрение зонда и отрыв блока аЬс, и процесс повторяется.Для установления зависимости междувозникающими силами при внедрении конуса в породу используют уравнениемоментов относительно точки С, вокруг которой сдвигается блок аЬс приотрыве. Момент силы Ю (нормальной кобразующей конуса) равенК Р сов (с+0) ып Ыс,= --- , (1)Кв 1 п 9где б- прочность исследуемого мате 2,риала на сжатие, Н/мР - тяговое усилие на зонд в модели иэ исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н; 450 - 0,5 величины угла при вершине зонда, град;ю - угол, определяемый по изохромам по модели из эквивалентного оптически активного материала, градК - величина радиуса зонда, м;К - эмпирический коэффициент.По полученным значениям предельного гидростатического напора и прочности исследуемого материала в условиях данной гидростатики можно прогнозировать плывунные свойства материала в натурных условиях.1 =ЯсД, (2)Момент силы Т (перпендикулярной к плоскости отрыва ас),представляющей собой сопротивление породы разрыву, равен(3) М "Т ес. Выражая сй и ес через параметрыконуса, получают НК сов ба+О)Ме и впо((5) лМВК(1 рэ т 2 в 1 по Разрыв сплошности массива и отрывблока аЬс происходит при условии(6) Мя 11 т где (-. - прочность породы на Растяжение.ХК сов (к+0) и Р бг 92 (7)в 1 пЫ, 2 впссУдельная статическая нагрузка назонд при условии (6) определяется поформулеРН вдп 6 (8) Решая (7) относительно Б и подставляя в (8), получаютО Р сов(оС+О)впфС 9 К вп Г(9) Принимая (9) на основании экспериментальных исследований, например15 для рыхлой рудыС =К о "4,56, получают окончательно КР сов(1+6) в 1.пФ 20 Зная величины бр иб в условиях предельного напряженного состояния можно составить расче ный паспорт прочности породы.25П р и м е р, Определяют плывуниые свойства рыхлой железной руды. Иоделирование начинают с размещения в емкости(фиг. 1) оптически активного материала - игдантина, в состав которого входит, 7: фотожелатин 15; глицерин 20; вода б 5; нафтол 0,001, Приготовление материала производят по известной технологии. Емкость 1, изготовленная из оргстекла, предста 35 вляет собой рамку, состоящую иэ двух параллельных между собой частей, причем расстояние между этими частями емкости равно 0,01 м. Прн укладке игдантина в емкости 1 в нем размещают конусообразный зонд диаметром 0,01 м и подсоединяют к зонду трос с динамометром. Трос диаметром 0,0015 м навивают на барабан диаметром 0,02 м, снабженный электромотором. Вблизи емкости 1 устанавливают на штативе поляриском, предназначенный для изме" рения напряжений в горных породах, Протягивая по игдантину зонд, фотографируют на цветную фотопленку об 50 разующуюся в полярископе картину иэохром и одновременно с помощью дина-, мометра отмечают величину усилия натяжения троса, На основании анализа полученных данных строят изобары поля напряжений вокруг зонда (фиг. 2),55 по которым в дальнейшем (фиг, 3) определяют величину о для зонда: Ос "15; 9 22,5,; К 0,005 м. Затем переходят к подготовке мод- ли из исследуемой руды, Для этого в устройстве для реализации предлагаемого способа вместо емкости иэ оргстекла устанавливают лоток из стальных листов толщиной 0,003 м, размеры лотка 0,400,501 0,30 (Ь) м(фиг. 4), В лотке размещают вертикальную перфорированнук стальную перегородку. В пространстве между перегородкой и стенкой лотка укладывают гравий.Лоток снабжают патрубком, служащиммоделью выработки, причем диаметрстального патрубка 0,05 м. Вблизистола, на котором размещен лоток, монтируют установку для создания фильтрационного потока в исследуемой модели, состоящую из камеры, поршня с грузами, соединительных труб и запор- но-регулировочной арматуры. Около лотка размещают емкость для сбора отфильтровавшейся через модель жидкости. Наполняют лоток водой, после чего в воду укладывают исследуемую тонкодисперсную руду равномерно по площади с тщательным уплотнением, размещают в руде датчики давления, регистрирующие общее (поровое и эффективное) напряжениеи укладывают на требуемой отметке зонд, После укладывания руды до верхней отметки на ее поверхность укладывают резиновую оболочку, подсоединенную к источнику гидростатического давления - масляному насосу, позволяющему создавать давление до 50 10 Н/м . Устанавливают манометр для измерения порового давления в руде, Короб с рудой гврметиэируют с помощью крышки.1После этого подачей глицерина под давлением в резиновую оболочку создают нормальное давление Р 1810 Н/мб кна рУду с требуемым эффективнье напряжением бз 1,8 10 Н/м, Выдерживают руду под давлением в течение 15 мин,необходимых для ее консолидации. Послеэтого повышают давление фильтрационного потока по руде до 1 12 10 Н/мф 2,При достижении градиентом напорак фильтрационного потока 1 2.10 Н/м фиксируется помутнение воды, отфильтрованной из лотка с рудой, и начало выноса мелкой фракции руды диаметром 6 5 мк. Поддерживая достигнутое давление фильтрационного потока (112 1 к 10 Н/м ), с помощью троса протягивают зонд по руде, отмечая по дина50. мометру усилие натяжения Прочность руды на сжатие ляют по зависимости (1), следующие данные: Р 46 Н 9=22,5 ; Кщ 0,005 м К=4У В 1 У У =14,1 10 Н/м Таким образом, в исследованной руде плывунные свойства возникают при 1 О гидростатическом давлении 1 12 иф 3,е 10 Н/м , что соответствует высоте столба воды Н 120 м прн удельной массе воды1 т/м . Следовательно, длязсоблюдения условий безопасности про ходческих работ по данной руде высота остаточного гидростатического напора воды прн водопониженин должна быть менее Н=120 м или же для обеспечения условий гидродобычи данной руды пу- Ю тем перевода ее в плывунное состояние следует в ней создать гидростатическое давление свыше 1 1210 Н/мз й . (1,2 МПа). Применение способа обеспечиваетповьипение безопасности проходческихработ в рыхлых обводненных рудах,предотвращая аварийное затопление под 30земных горных выработок обводненнымиразностями рыхлых руд. Кроме того,применение предлагаемого способа позволяет выбирать методы добычи руд,например "синьки", используя контролируемый перевод руды в плывунное 35состояние с ее последующей гидродобычей,Использование способа для прогно знрования начала образования солевого потока в горах позволяет устранить эфФект внезапности его возникновения, снижая приносимюй ущерб народному хо-зяйству. 45 Достоверность моделирования напряженного состояния горных пород позволит управлять напряженным состоянием обводненных рыхлых руд, а также обеспечить гидродобычу руды с помощью перевода ее в плывунное состояние,Формула изобретения Способ моделирования напряженного состояния горных пород, включающий изготовление модели из исследуемого материала, приложение нагрузки, соответствующей условиям на исследуемом горизонте горных пород, создание фильтрацнонного потока жидкости через исследуемй материал и проведение измерений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плывунных свойств, перед изготовлением модели из исследуемого материала изготавливают модель из эквивалентного оптически активного материала с размещенным в ней зондом, перемещают последний в материале, регистрируют картину изохром и тяговое усилие перемещения зонда, затем оптически активный материал заменяют на исследуеиюй, укладывают его послойно в воду, герметизируют, ступенчато повышают эффективное и поровое давление в модели, повышают давление фильтрационного потока по исследуемому материалу до наступления предельного напряженного состояния, перемещают в этом материале зонд, регистрируют его тяговое усилие перемещения и определяют прочность исследуемого материала по со- отношению эмпирический коэффициент;тяговое усилие на зонд в мо" дели из исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н;угол, определйеиьй по изохромаи на модели из эквивалентного оптически активного материала, град;0,5 величины угла при вершине зонда, град;величина радиуса зонда, м; прочность исследуемого материала на сжатие, Н/м.1530881Див 1Составитель В,Петрова Редактор И.Дербак Техред И.дидык Корректор Л.П Заказ 7929/39 Тираж 449 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10