Прочность и деформируемость массивов скальных пород около выработанных пространств тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

Шуплецов, Юрий Павлович АВТОР
доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ
1998 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.02.07 КОД ВАК РФ
Диссертация по механике на тему «Прочность и деформируемость массивов скальных пород около выработанных пространств»
 
Автореферат диссертации на тему "Прочность и деформируемость массивов скальных пород около выработанных пространств"

^ о" с-

О», Российская Академии наук

•О. 'Л/- Сибирское отделение

%

Институт горного дела

УДК 622.02:539.27.8 На правах рукописи

Шуплеиов Юрий Павлович

Прочность и деформируемость массивов скальных пород около выработанных пространств.

Специальность 01.02.07 - "Механика сыпучих тел, грунтов

и горных пород".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.

Новосибирск, 1998 г.

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской Академии наук

Научный консультант Вдох H.I I., - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, Лауреат Государственной премии СССР

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Барях А.Л.

доктор технических наук, профессор Мнренков В.Е.

доктор технических наук, профессор Шу гов В.Л.

Ведущая организация - Кузбасский государственный технический

университет

Защита состоится "-/6 ¿"С 1998 г. в /Г часов

на заседании диссертационного совета Д 003.17.01 при Институте горного дела СО РАН (630091, г.Новосибирск, Красный проспект, 54, факс. 3832 - 170678).

С диссертацией можно ознакомит ься в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного cobi доктор технических наук, профессор

Актуальность. С увеличением интересов человечества к верхней части земной коры, как к среде производства и обитания, все острее встает проблема изучения массивов горных пород, в частности, его механических свойств.

Массивы горных пород являются средой, свойства которой сформированы природой. Специфика этой ситуации часто приводит к неопределенности задания прочностных, деформационных и других характеристик массивов при расчетах устойчивости из массивов горных пород и подкрепляющих их конструкций, что является причиной нередких при строительстве и эксплуатации подземных сооружений аварий.

Получение данных о свойствах массивов горных пород во всем спектре их геологического и геомеханического состояния является трудно реализуемой проблемой, тем более, что эти свойства зависят еще и от размеров рассматриваемого участка массива.

В мировой практике исследований зависимости для оценки прочности и деформируемости массивов получены либо для одинаковых в геомеханическом отношении типов пород, либо для небольших объемов..

Сложность проблемы изучения механических свойств массива заключается в том, что эксперименты по испытаниям в натурных условиях объемов массивов с линейными размерами даже первых метров требуют применения мощных, громоздких давильных установок, специальной организации горных работ, значительных финансовых затрат, поэтому такие исследования проводят редко как в нашей стране, так и за рубежом. Свойства массивов с размерами до десятков и более метров получают в единичных случаях. Но именно такие размеры представляют наибольший интерес в практике разработки месторождений полезных ископаемых и строительстве крупных подземных объектов.

Многочисленные натурные эксперименты, проводимые ИГД УрО РАН, показывают, что нередко смещения массивов и измеряемые приращения напряжений не совпадают по знаку. Эти результаты требуют научного

объяснения для понимания механизма деформационных процессов, происходящих в массивах пород.

Таким образом, установление закономерностей деформирования массива скальных пород в условиях естественного залегания, получение количественных оценок его механических свойств остается актуальной научной и практической проблемой механики горных пород, без решения которой невозможно эффективное применение и развитие расчетных методов механики деформируемого тела.

Диссертация обобщает результаты более 30 плановых научно-исследовательских работ ИГД МЧМ СССР (ИГД УрО РАН), выполненных по договорам с горнорудными предприятиями, заданиям МЧМ и ГКНТ СССР, в которых автор участвовал в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя НИР лаборатории горного давления. Объект исследований - массив скальных пород в зоне влияния выработанных пространств.

Предмет исследований - механические свойства массивов скальных пород. Цель работы - исследовать закономерности изменения прочности и деформируемости массивов скальных пород от их структурных особенностей для повышения точности и надежности расчетов устойчивости природных и искусственных конструкций.

Идея работы - использование дополнительных к первоначальным полей напряжений и смещений, формирующихся вокруг выработанных пространств, при изучении прочностных и деформационных свойств, механизма деформирования массивов с разными структурными особенностями и размерами.

Задачи исследований::

- выявить закономерности изменения прочности и деформируемости массивов скальных пород от их структурных особенностей в диапазоне от первых метров до сотен метров;

- установить влияние погрешностей основных геомеханичеких факторов, определяющих расчетные конструктивные параметры подземных сооружений, на коэффициент запаса их прочности, исходя из критерия прочности Кулона-Мора;

- выявить деформационные процессы, происходящие во времени в массивах при изменении их напряженного состояния под влиянием подземных горных работ;

- установить условия применимости модели линейно деформируемой среды для скальных массивов по результатам натурных экспериментов;

- применить полученные результаты в расчетах устойчивости массивов и искусственных сооружений при разработке рудных месторождений. Методы исследований:

- лабораторные испытания механических свойств горных пород;

- натурные эксперименты на больших базах для получения данных о деформировании массива во времени в процессе ведения горных работ;

- анализ, обобщение и статистическая обработка данных о прочности и деформируемости массивов;

- аналитические расчеты по определению НДС около выработанных пространств;

- анализ натурных данных с точки зрения механики деформируемого твердого тела;

- проверка полученных результатов в практике разработки рудных месторождений.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Между прочностью и модулем деформации массивов скальных пород и их категорией устойчивости существует прямая связь, которая является универсальной и не зависит от литологических разностей скальных массивов.

2. Прочность на обнажениях трещиноватых скальных массивов при сжатии правомерно оценивать по критерию разрушения от нормальных напряжений

(Галилея), а величина коэффициента запаса прочности зависит от погрешностей определения геомеханических свойств массива.

3. На допредельной стадии нагружения временные деформационные процессы, происходящие в трещиноватых скальных массивах , не зависят от их категории устойчивости и определяются характером изменения напряженного состояния:

- в условиях простого пути нагружения, когда компоненты напряжений изменяются пропорционально или при соблюдении этой тенденции во времени, массив можно рассматривать линейно деформируемой средой с явлением гистерезиса из-за необратимых деформаций трещин;

- при сложном пути изменения напряжений массив во времени проявляет свойства широкого спектра моделей сплошных сред и дискретной.

4. Деформирование неустойчивых скальных массивов около выработанных пространств сопровождается формированием зоны неупругих деформаций в соответствии с моделью хрупко разрушающейся однородной среды с остаточной прочностью.

Достоверность научных положений подтверждается:

- теоретическим обоснованием применяемых методов определения прочности и модуля деформации массива пород;

- высокой корреляцией результатов, полученных на рудниках Урала и Казахстана, с результатами единичных определений, полученными другими исследователями России и мира при построении эмпирических зависимостей;

- качественным совпадением полученных данных о механизме деформирования массивов с результатами моделирования других исследователей;

- хорошим совпадением результатов аналитических расчетов устойчивости массивов и поддерживающих конструкций с их фактическим состоянием на горнорудных предприятиях.

Научная новизна результатов работы:

- получены зависимости для определения модулей деформации массивов

скальных пород на участках, размерами до сотен метров. Приведенная классификация массивов по категориям их устойчивости дает возможность определить модуль деформации интересующих массивов до начала строительства подземных объектов;

- получены зависимости для определения прочности массивов с учетом масштабного фактора, при этом не требуется определения каких-либо дополнительных параметров в натурных условиях. Установлено, что прочностной масштабный фактор зависит не столько от геомеханических свойств трещин и пород, сколько от размеров обнажения и породных блоков, слагающих массив;

- установлено влияние масштабного фактора на изменение модуля деформации массивов скальных пород. Наибольший градиент снижения модулей деформации приходится на диапазон 2-4 м. Асимптотически наименьшие значения модулей деформации достигаются на участках 7-10 м. Деформируемость массивов практически не зависит от деформируемости слагающих его структурных блоков и определяется геомеханическими свойствами трещин и интенсивностью трещиноватости;

- установлено, что при учете основных факторов, влияющих на устойчивость массивов, коэффициент запаса прочности на его обнажениях определяется в пределах 1.2ч-1.5 в зависимости от методов определения механических свойств и напряженного состояния массива;

- установлены закономерности деформационных процессов, происходящих в массиве скальных пород в зоне влияния разработки полезных ископаемых и факторы, влияющие на них;

- установлено, что первоначальные напряжения и прочность массива, являющегося включением в окружающий массив с другими свойствами, взаимосвязаны с аналогичными параметрами этого массива ;

-разработана модель механизма техногенных землетрясений, возникающих при разработке месторождений полезных ископаемых.

Научное значение результатов работы заключается

- в установлении закономерностей деформирования массивов скальных пород в изменяющихся полях напряжений и смещений, уточняющих представления о массивах как о деформируемой среде;

- в установлении близких к функциональным связей прочности и модуля деформации массивов скальных пород на больших базах с их категориями устойчивости;

- в установлении количественных зависимостей показателей прочности и деформируемости от размеров массивов в диапазоне до сотен метров (масштабный фактор);

- в обосновании коэффициента запаса прочности массива на его обнажениях на основе определения погрешностей основных геомеханических параметров;

- в установлении влияния характера изменения напряженного состояния на механизм деформирования массива пород в условиях естественного залегания;

- в разработке метода расчета соотношения прочности и первоначального напряженного состояния массива, являющегося включением с отличными от окружающего механическими свойствами;

- в теоретическом обосновании механизма техногенных землетрясений, позволяющем прогнозировать их возможные очаги и энергию при разработке месторождений.

Личный вклад автора состоит:

- в постановке, проведении, и обработке результатов натурных экспериментов; в обобщении, анализе и классификации данных о структурных особенностях массивов скальных пород; в выявлении зависимостей по определению прочности и модуля деформации массивов; в обосновании механизма деформирования массива скальных пород в условиях изменяющегося поля напряжений; в разработке и теоретическом обосновании экспериментально-

аналитического метода определения напряжений в массиве пород; в постановке и решении теоретических задач по определению напряженно-деформированного состояния и устойчивости массивов при разработке месторождений полезных ископаемых.

Практическая ценность. Результаты выполненных исследований позволяют:

- определять прочность и модуль деформации массива на стадии разведочных работ; обосновать коэффициент запаса прочности массива на обнажениях; оценить погрешность расчетов напряжений в искусственных поддерживающих конструкциях; обосновать границы применимости модели линейно деформируемой среды по условию характера изменения напряженного состояния; повысить надежность принимаемых проектных решений при строительстве подземных сооружений.

Реализация результатов работы. Полученные результаты послужили основой для расчетов конструктивных параметров систем подземной разработки на шахтах Урала и Казахстана, разрабатывающих рудные месторождения черных и цветных металлов и вошли составной частью в "Методические указания по расчету параметров систем разработки наклонных и крутопадающих залежей средней и малой мощности железорудных месторождений Урала", "Указания по выбору параметров камер на Соколовском подземном руднике Соколовско-Сарбайского ГОКа", "Технологическую инструкцию по производству закладочных работ на Соколовском подземном руднике СС ГОКа".

Рекомендации по управлению горным давлением, разработанные с личным участием автора, применили и применяют ряд горнорудных предприятий. Главным образом, это следующие подземные рудники: Соколовский подземный рудник ССГПО, шахта Западный Каражал Атасуйского РУ, шахта Центральная Джездинского РУ, шахты Молодежная и Центральная Донского ГОКа (все указанные шахты - Казахстан); шахты Магнетитовая и

Естюнинская Высокогорского ГОКа, шахта Сидеритовая Бакальского РУ (все шахты - Урал).

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по механике горных пород (1974 г., 1987 г., 1993 г. - г.Москва, 1980 г. - г.Фрунзе, 1985 г. - г.Тбилиси, 1997 г.- г.С-Петербург), Всесоюзных и Всероссийских семинарах по аналитическим методам и ЭВМ в механике горных пород (1974 г., 1982 г., 1985 г., 1991 г,-г.Новосибирск), Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (1977 г., 1979 г., 1982 г., 1984 г., 1987 г.- г.Новосибирск), Всесоюзном семинаре "Изучение свойств пород в массиве геофизическими методами" (1980 г.- г.Новосибирск), Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов (1981 г,-г.Москва), семинаре по горной геофизике (1983 г.- г.Сухуми), Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (1995г.-г.Москва-г.Пермь), 2-х Всероссийских конференциях "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (1994 г., 1996 г.-г.Екатеринбург), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Основные направления по снижению расхода цемента на закладочные работы на горных предприятиях" (1991 г.-г.Гай), Международном симпозиуме по добыче полезных ископаемых в Арктике (1996 г.- Норвегия), 10-ом координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (1997г.-г.Екатеринбург); 2-х международных конференциях по механике горных пород (1990 г.- Норвегия, 1993 г.- Португалия), Международном симпозиуме "Полевые измерения в геомеханике" (1987 г.- Япония), постоянно действующих региональных семинарах по механике горных пород при ИГД УрО РАН (1995 - 98 г.г.), научных советах ИГД УрО РАН, технических советах горнорудных предприятий Урала и Казахстана.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 62 печатных трудах, включая 12 авторских свидетельств на изобретения. Основные результаты представлены в 28 печатных трудах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, изложенных на 293 страницах, включая 53 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 215 наименование, приложение.

Автор искренне признателен доктору технических наук, профессору ВЛОХУ Н.П. за конструктивное обсуждение рассматриваемых в диссертации научных проблем, всем сотрудникам лаборатории горного давления и, прежде всего, кандидатам технических наук КРУТИКОВУ A.B. и ПЯТКОВУ Ю.Ф. за высококвалифицированную помощь в постановке и проведении экспериментальных работ в шахтных условиях

Основное содержание работы 1.Современное состояние изученности прочностных и деформационных показателей массивов скальных пород.

В больших объемах массив скальных пород как среда трещиноватая, блочная имеет механические свойства, количественно отличающиеся от изучаемых в лабораторных условиях на образцах горных пород и моделях. Установлено, что на показатели прочности и деформируемости массива влияют интенсивность, раскрытие, ориентация и механические свойства трещин, прочность породы и заполнителя, величины и соотношения действующих напряжений, объем массива, обводненность и другие факторы. Такая многофакторность ставит проблему определения прочности и деформируемости массивов горных пород в ряд сложнейших в геомеханике.

Экспериментальные исследования механических свойств массива пород давильными установками в натурных условиях согласно Бенявски 3. начались с 1933г. в США, но этим методом испытывают призмы с размерами

максимум до 2-Зм.

В России и странах СНГ, являющихся одними из ведущих, и, следовательно, наиболее информативных стран в области разработки полезных ископаемых и гидротехнического строительства, накоплен богатый опыт в исследованиях массивов горных пород в натурных условиях. Большой вклад в решение этих вопросов внесли научные школы геомехаников ВНИМИ, ИГД СО РАН, ИПКОН РАН, ИГД им. Скочинского, МГГА им. Орджоникидзе, Горный институт КНЦ РАН, Гидропроект им. Жука, ВНИИГ им. Веденеева, МГГУ, СПбГИ(ТУ), ИДГ РАН, ИГТМ АН Украины, ИФиМГП НАН Кыргызстана, ИГД НАН Казахстана, ИГД ДВО РАН, Институт галургии, Горный институт УрО РАН, Институт угля СО РАН, ВИОГЕМ, НИГРИ, ВостНИГРИ, ИГДС ЯНЦ СО РАН, ИГД УрО РАН и др.

Проведено, большое количество исследований по прочности и деформируемости массивов, но полученные значения и зависимости характеризуют или небольшие объемы массивов, или конкретные условия.

Блочная структура скального массива аналогична зернистой структуре скальных пород. Отличие состоит лишь в том, что связи между зернами пород намного прочнее, чем межблоковые в массиве, то есть существует принципиальная возможность установления закономерностей, позволяющих осуществить переход от механических свойств пород, получаемых для малых объемов, к свойствам реального массива этих пород с учетом его структурных особенностей и масштабного фактора.

2. Определение статической прочности и закономерностей её изменения от структурных особенностей массива скальных пород по данным натурных исследований.

Общеизвестна закономерность - с увеличением размера рассматриваемого массива его прочность асимптотически снижается. Рядом исследовате-

лей отмечается, что прочность образца блочной среды с линейными размерами, превышающими в 10 и более раз линейный размер блоков, близка к минимальному асимптотическому значению.

Обозначим Кап = с ап /ст с - асимптотически минимальный коэффициент снижения прочности при сжатии; Сап - прочность больших объёмов структурно однородного массива; сг с- прочность образцов; Ксп - коэффициент снижения прочности с учетом размеров объема массива.

В основном, в качестве характеристик массивов приводят размеры блоков (или коэффициент трещиноватости) и прочность пород в образце. В практике исследований автора на шахтах Донского ГОКа в Казахстане получено значение Кап = 0.1 при коэффициенте линейной трещиноватости массива 1-2 и даже меньше. Обычно при такой трещиноватости Кап >0.5. Причина заключается в слабом серпентинитовом заполнителе трещин, мыльном на ощупь. Из этого примера и результатов моделирования других исследователей следует, что классифицировать массивы только по их блочности не оправдано.

На основе анализа данных по устойчивости широкого спектра скальных массивов на подземных рудниках Урала и Казахстана и данных других ученых разработана классификация массивов по категориям устойчивости (таблица 1, КУМ), где Кт,- коэффициент линейной ( или объемной) трещиноватости; f - коэффициент крепости пород по Протодьяконову; /к - средняя длина выбуриваемого сплошного керна.

В случае несовпадения описания с характеристиками конкретного массива КУМ имеет дробные значения между соседними категориями.

Каждая из приведенных в таблице характеристик массива содержит смысл механической прочности. Коэффициент трещиноватости характеризует количество дефектов (трещин) в единице объема массива, свойства заполнителя трещин и их раскрытие - условия сцепления по трещинам и угол

Таблица 1.

Категории устойчивости массивов скальных пород, (КУМ).

КУМ Характеристики трещин Кт f /к, СМ

1 (весьма устойчивый) Трещины закрытые или с прочным заполнителем < 1 > 10 > 100

2 (устойчивый) Трещины раскрыты не более 0.2 мм, без глинки трения и зеркал скольжения. <2 >8 >50

3 (средней устойчивости) Трещины в основном без глинки трения с раскрытием не более 1 мм, нет тектонических трещин, зеркал скольжения. < 5 >6 >20

4 (неустойчивый) Трещины раскрыты до 3-5 мм или заполнены милонитом, глинкой трения; тектонические трещины, зеркала скольжения. не вли яют

5 (весьма неустойчивый) Зоны дробления, милонитизации, крупные тектонические нарушения. - - -

внутреннего трения, крепость пород - жесткость берегов трещин и величину сцепления.

Статистическая обработка результатов, полученных ИГД УрО РАН и найденных автором в научно-технической литературе, дала наилучшее приближение зависимости для Кап в виде прямой

Кап = 0.93-0.18 КУМ. (1)

Коэффициенты уравнения регрессии найдены с погрешностью: 0.93 ± 0.04, 0.18 ± 0.01. При доверительной вероятности 0.9 на рис.1 показан доверительный интервал. Коэффициент корреляции зависимости равен 0.96 при стандарте ошибки определения 0.07. Обработано 30 результатов.

Практика ведения горных работ показывает, что чем выше прочность породы в образце, тем выше устойчивость (прочность) массива,. Естественно предположить, что зависимость прочности массива от его КУМ должна существовать в явном виде, а не относительно стс.

По результатам определения прочности массивов на 12 подземных рудниках ( на 6 рудниках - по данным ИГД УрО РАН) получена корреляционная зависимость по 15 точкам, (рис.2)

Сап = ехр (5.76 - 0.95 КУМ), МПа (2)

с коэффициентом корреляции больше 0.96 и стандартом ошибки 0.25 при надежности 0.9. Коэффициенты уравнения найдены со стандартами ошибки 5.76 ±0.21, 0.95 ±0.08.

Многие известные результаты затруднительно включить в статистическую обработку из-за недостаточных геомеханических характеристик массива. Фактическое количество единичных определений в несколько раз превышает приведенное на рис. 1,2, так как каждая экспериментальная точка - это обобщающие данные. Например, за единичные приняты обобщающие значе-

ностью 0.9.

Рис.1 .Корреляционная зависимость Рис.2.Корреляционная зависимость Кап от категории устойчивости. ст ап от категории устойчивости.

Известно, что прочность массива обратно пропорциональна характерному размеру Ь его объема. Представим эту зависимость в общем виде как

Ксп = А + (1-А)/(1+ВЬКТ), (3)

(А,В - константы). Она хорошо описывает характер влияния размеров массива на снижение его прочности. В случае небольшого размера массива, равного размеру образца, когда 1Жт->0, имеем Ксп=1, то есть прочность образца.

Когда объем большой и ЬКт-><и, получаем Ксп=А=Кап, то есть приходим к значениям,, определяемым по формуле (1).

Для нахождения коэффициента В послужили факты разрушения выработок (Ь«2-Зм) в массивах с разными КУМ. Коэффициент В слабо зависит от прочностных характеристик трещин и его можно принять константой, равной примерно 0.15.

Сравнение полученных значений прочности с результатами прямых испытаний Бакига! Б. призм с размерами 2-нЗм показало различие до 12%. Хорошая сходимость результатов, полученных разными методами, подтверждает правильность заложенных в построение формул (1), (3) принципов зависимости коэффициентов снижения прочности массивов скальных пород от КУМ и размеров обнажений.

По критерию прочности Кулона-Мора условие устойчивости трещины в общепринятой записи имеет вид:

где С - сцепление; Гт = tgp - коэффициент внутреннего трения; р - угол

внутреннего трения по трещине; а 1 >аз>0 - главные нормальные сжимающие напряжения, а - угол между с 1 и направлением трещины. После преобразований приходим к неравенству

(4)

¡5т(Р + 2а)| < 2С + Гт(а'+°3)

= В.

(5)

Трещина всегда устойчива, если

и В > 1,

2

сгI < 2АС +А аз ,

(6) (7)

откуда

где

Вблизи обнажения можно положить ст з=0, тогда (7) имеет вид

ст] < 2АС.

(8)

Правая часть неравенства (8) является известной записью прочности на одноосное сжатие, а В=1 - предельное равновесие по Соколовскому . В случае В< 1 приходим к сектору углов устойчивости трещины

агсэтВ - р < 2а < тс - р- агсятВ. (9)

Неравенства (6), (7) определяют безусловную прочность массива в сравнении с неравенством (9), то есть для оценки устойчивости обнажений трещиноватого массива вполне применим критерий прочности на одноосное сжатие

0]<ом. (10)

За коэффициент запаса прочности обычно принимают отношение

Кн=ам/а,=(ас-П КО/ст,, (11)

¡=1

где К; - коэффициенты, учитывающие факторы, влияющие на прочность массива.

Основные геомеханические факторы, входящие в (11), определяют согласно, в основном, данным научной литературы с погрешностью: прочность образцов пород - 20-30%; коэффициент снижения прочности (или масштабный фактор) - 15% (по данным этой работы); длительная прочность - не менее 10%; коэффициент формы для целиков 10-15%; погрешность определения напряжений - до 30%; изменение прочности из-за обводненности - до 30%.

Значение Кн получается неопределенным из-за погрешностей указанных и других факторов. Рекомендации по принятию коэффициента запаса прочности (КЗП) неоднозначны. Для оценки устойчивости массивов пород все чаще применяют статистические методы, позволяющие учесть вариации исходных данных в конкретной ситуации. На основе статистического подхода Звонарев Н.К., Коноваленко В.Я. предлагают КЗП определять как погреш-

ность сложной функции с введением требуемой надежности. Применительно к записи (11) имеем

где 5р; - относительная погрешность п параметров в правой части (11), tq -коэффициент, соответствующий надежности q.

Ориентируясь на средние погрешности указанных выше геомеханических параметров получаем

При надежности 0.8, приемлемой для производственных целей согласно Глушко В.Г., Гавеля С.П., и в зависимости от погрешностей методов определения геомеханических параметров он может колебаться от 1.2 до 1.5. При недостатке данных о прочности массива использование зависимостей (1),(2) обеспечивает КЗП«1.3.

Рассмотренная методика проверена при оценке устойчивости выработанных пространств на шахте Центральная Джездинского РУ (Казахстан), на которой целики существуют от нескольких лет до 40 и более лет. Обрушения пород обнаружены в тех блоках, где КЗП в целиках был ниже расчетного.

З.Определение статического модуля деформации и закономерностей его изменения от структурных особенностей скальных массивов по данным натурных исследований.

У нас в стране получили теоретическое обоснование и нашли практическое применение экспериментально-аналитические методы изучения свойств массива пород., дающие возможность оценивать участки с размерами десятки и сотни метров. Позднее эта идея нашла применение и у зарубежных исследователей.

(12)

КЗП=1+0.57-гч

(13)

В ИГД УрО РАН применяется методика исследования массива по измерениям приращений напряжений и смещений при подвигании горных работ. Составляются, как правило, переопределенные системы уравнений по напряжениям вида

A<*iu =2Kjj-CT¡o (14)

j

где ДКц - расчетные приращения коэффициентов концентрации напряжений от j-ой составляющей в i-ом направлении в точке измерения при ctjo = 1 и

при других составляющих, равных 0; или по смещениям

Ui„=(2Aij-CTjo)/E (15)

J

где Ajj - расчетные смещения по направлению i от j-ой компоненты первоначальных напряжений, определяемые из решения аналитической задачи при значениях (jj0=E=l, Е - модуль деформации массива (индекс (и) относится к

измеренным величинам, (0) - к неизвестным ojq), из решения которых методом наименьших квадратов находят ajo и Е. Решение (15) требует знания одной из неизвестных.

Определение Е возможно также только по данным натурных измерений при интегрировании приращений напряжений по длине реперной линии

I

U¡=( J [A(T¡-v(Aüj+Aak)|d/)/E, (16)

0

где / - длина реперной линии.

По этой методике сотрудниками лаборатории горного давления ИГД УрО РАН были проведены эксперименты на железорудных шахтах Магнети-товая, Северо-Песчанская, Северная, Сидеритовая (все на Урале), Западный Каражал , хромитовой шахте Молодежная , Соколовском подземном руднике (все Казахстан), отличающихся разнообразными геомеханическими характе-

ристиками массивов руд и пород. Реперных линий и глубинных реперов, по которым проведено определение одо и Е с участием и под руководством автора, было установлено не менее 40.

Было обработано более 90 единичных определений в минимум 26 разных массивах. В 15 массивах результаты получены ИГД УрО РАН. Не все найденные в научной литературе результаты удалось включить в массив данных из-за недостаточности геомеханических описаний массивов.

На рис. 3 приведена корреляционная зависимость Кам =Еам / Ео от КУМ (где Еам - асимптотически минимальное значение модуля деформации массива пород, Ео - модуль упругости этих пород в образце), выражаемая уравнением связи

Кам= ехр (0.78 - 0.83 КУМ) (17)

Коэффициент корреляции полученной связи 0.95, стандарт ошибки 0.27.

Между абсолютными значениями Е^ и КУМ также существует тесная корреляционная связь, выражаемая экспоненциальной зависимостью

Еам= ехр ( 5.86 - 1.23 КУМ)-103, МПа . (18)

Коэффициент корреляции связи 0.96, стандарт ошибки 0.36. Стандарты ошибок определения коэффициентов в формулах следующие: в (17) 0.78±0.19; 0.83 ±0.06; в (18) - 5.86 ±0.21; 1.23 ±0.08.

ЕНеша\узку, а позднее БегаЯт & Регеига по испытаниям призм размерами 1.5-Зм получили эмпирические зависимости для определения Е. Их данные явились промежуточными при построении графиков, показывающих влияние масштабного фактора на деформируемость массива, рис.4. Точки вблизи оси ординат получены по зависимости (17) .

В основном наши исследования проведены на базах 7+15 м, но имеются данные и о деформациях массива размерами до сотен метров, которые вписываются в общую закономерность в пределах погрешности определе-

■ - экспериментальные данные, пунктир - доверительный интервал с надежностью 0.9, Ь=2м - данные ГЯешатеБку, БегаПт & Регеца. Рис.3.Зависимость отношения Рис.4. Зависимость изменения

Еам / Ео = Кам от категории модуля деформации массива с

устойчивости массива (КУМ). линейным размером Ь относите-

Еам ; графики 1+5-для соответствующих значений КУМ ния. Отсюда следует, что модули деформации массивов с размерами 7-5-15 м

близки к асимптотически минимальным, что нашло отражение в построении графиков рисунка 4 для значений Еам/Ец=1. Для 2м<Ь<6м из-за отсутствия данных графики построены приблизительно, исходя из очевидной закономерности изменения отношения Еам/Е1^ в этом диапазоне.

В описании геомеханических свойств таблицы 1 не фигурирует ориентация трещин в пространстве, так как ее при представлении результатов приводят редко. Тем не менее, погрешность полученных зависимостей по определению модулей деформации массива сравнима с погрешностью испытаний образцов. Это свидетельствует о том, что скальные массивы можно рассматривать как изотропные в пределах 30-40% погрешности определения модулей деформаций. Очевидно также, что деформируемость скальных массивов определяется, главным образом, геомеханическим состоянием трещин, а не блоков породы.

С применением полученных зависимостей проведены численные расчеты погрешностей определения напряжений в бетонной крепи и твердеющей закладке.

4. Результаты натурных измерений изменения напряженно-деформированного состояния массива пород во времени около выработанных пространств на подземных рудниках.

Рассмотрены показания наблюдательных станций, прослуживших наиболее длительное время в процессе ведения очистных работ. Четыре станции типа "реперная линия - фотоупругие датчики" установлены на шахте Магне-титовая (г. Н. Тагил): две - на глубине 670м (гор.-450м, КУМ=2), по одной -на гор.-290м (КУМ=4 из-за тектонической трещины) и на гор.-250м (КУМ=3). Такая же станция - на Соколовском подземном руднике (г. Рудный, Казахстан) на глубине 210м в массиве с КУМ=3. Все станции расположены в горизонтальных выработках и имеют базу измерений до 10-15м. Изменения НДС по ним вызваны отработкой камерных запасов. Наблюдательные станции, состоящие из глубинных реперов, установлены на шахте Молодежная в массиве с КУМ=4-г4.5 на глубине «470м вблизи зоны обрушения. Измерения продолжались до 3 лет и более.

Во всех массивах на шахте Магнетитовая наблюдается большой разброс значений Еам, принимающих в отдельные временные интервалы значения от нуля до бесконечности и даже отрицательные.

На Соколовском подземном руднике (СПР) измерения проведены в целике, для массива которого КУМ=3, как и на гор.-250м ш. Магнетитовая. Тем не менее на СПР в любые интервалы времени закон деформирования был линейным до момента его смещения по тектоническому нарушению под висячим боком. После смещения целик разгрузился с модулем деформации в 2.5 раза превышающим модуль сжатия. Очевидно, что гистерезис является следствием нелинейности деформирования трещин. Расчетное сцепление по нарушению после двух подвижек снизилось с 3.8 МПа до 2.5 МПа. . Расчеты проведены по формулам (5-9).

Уровень напряжений в местах измерений на рассмотренных выше шахтах составлял 60+90% от аап на обнажениях.

На шахте Молодежная специфика массива в том, что трещины заполнены слабым, милонитизированным, мыльным на ощупь заполнителем и аап в 2-3 раза меньше первоначальных напряжений. Натурные исследования, проведенные с применением деформационных методов и геофизического (скважинное зондирование, ПЭЗ) на трех участках шахтного поля, показали, что массив деформируется нелинейно.

Проведен численный анализ деформирования массива по нескольким моделям сред. Расчеты по модели среды с запредельными характеристиками и остаточной прочностью сначала аналитические, а затем по МКЭ, показали, что хрупко разрушающаяся среда соответствует количественно деформационным процессам в массиве около выработок и выработанных пространств. Расчетные и фактические зоны неупругих деформаций (ЗНД) совпали. Запредельное деформирование неустойчивого скального массива около выработанного пространства на шахте Молодежная оказалось более прогнозируемым, чем на рассмотренных выше шахтах с массивами на допредельной стадии нагружения.

5. Анализ результатов натурных измерений с позиций представлений механики деформируемого твердого тела.

На рисунках 5-7 приведены результаты натурных измерений по репер-ным линиям гор. -250м шахты Магнетитовая. При отработке залежей формируется консоль из массива налегающих пород. Напряженное состояние по осям ХпХ контролировалась фотоупругими датчиками, по оси У - с помощью глубинных реперов Ш-1У, установленных в закладке, рис.5.

После 04.92 г. в течение 2-х лет никаких горных работ в этих залежах не вели. Тем не менее, изменения НДС были даже больше, чем в процессе от-

работки камер и имели колебательный затухающий характер. С 08 по 11.91г. снизились горизонтальные и увеличились вертикальные напряжения, что должно сопровождаться увеличением длины реперной линии, а произошло обратное,рис.7.

По реперным линиям гор.-450м и -290м также при резком изменении градиента вертикальной компоненты напряжений начинались горизонтальные смещения, противоположные по знаку ранее достигнутым и снижающие их уровень на 60-5-70%. Во время этих смещений компоненты напряжений изменялись незначительно. Налицо вязко-пластические деформации, которые возникли в массиве с КУМ=2 при изменении касательных напряжений на 1.5 МПа со сменой знака, КУМ=3 - при увеличении на 0.8 МПа, КУМ=4 - при уменьшении на 0.5 МПа. Коэффициенты вязкости равны соответственно, 3.7-1016 Пас, 2.1-1016 Па с, 0.61016 Пас. Это на 2-4 порядка меньше вязкости образцов.

Отмеченные колебания НДС на гор.-250м являются также проявлением нелинейных деформаций в консоли налегающих пород и породном пропласт-ке после ликвидации опоры под консолью (отработки запасов камеры 6 ). В меньшей степени колебания НДС заметны и по наблюдениям на участке гор.-290м, расположенном между камерами 7 и 9.

На рис.7 фактическая (Г1ф) и расчетные по упругой модели конвергенции стенок выработки (реперы РЗ, рис5) в период после 10.91г. отличаются качественно и вызвано это механизмом деформирования массива, отличным от сплошной среды. Аналогичная ситуация по реперам Р1,Р2.

Сравнение приведенных в таблицах 2,3 констант деформирования показывает, что на гор. -250 м деформирование массива по реперной линии вдоль выработки не соответствует линейной среде для любого коэффициента Пуассона в пределах 0-5-0.5. Этот же массив в перпендикулярном направлении деформируется линейно, если рассматривать смещение средневзвешенное за

К5 Кб К7

Рис.5.Расположение наблюдательных станций на тор.-250м: о - фотоупругие датчики; тг - реперная линия вдоль выработки; 1-ГУ - реперы в скважинах; Р1-РЗ - реперы для измерения смещений стенок ВХШ.

12 4 8 12 4 : у= 0.5 Гу=0.3 у=0

Рис.6.Изменение во времени конвергенции стенок выработки фактической и расчетных для разных коэффициентов Пуассона по реперам РЗ.

2 4 6 8 10 12 2 1991 г.

4 6 8 10 12 2 4 б 8 10 12 2 4 1992 г. месяцы 1993 г. 1994 г.

Рис.7.Изменеиия во времени смещений и интегральных по длине реперной линии 11.3м приращений напряжений: А/ - смещения; Дстх, - приращения горизонтальных и вертикальных напряжений; вертикальные отрезки по оси времени - массовые взрывы: короткие в камерах 9 и 6, длинные - в 600м с зарядами ВВ лоЮОт и более.

три года и по длине участка между реперами Р1- РЗ при у=0, таблица 2.

Причина заключается в характере изменения напряженного состояния. На гор.- 250м Дстх, Дет?. большую часть времени изменялись непропорционально, рис.9, то есть по сложному пути. На горизонтах -450м, -290м вдоль реперных линий при наличии в один из периодов резкого роста До2 сохранялась во времени общая тенденция к пропорциональному увеличению сжатия, то есть простого пути нагружения.

Таблица 2.

Средневзвешенные по времени значения деформационных констант по реперным линиям шахты Магнетитовая.

Место измерения Коэфф. поперечной деформации ут, найденный для Еср (при у=0.3) Еср-10~3,МПа при

v=0 у=0.5

Гор.-450 м, орт 5 -0.23 29 15

Гор.-450 м, орт 6 -0.6 25 16

Гор.-290 м 0.7 5 3.7

Гор.-250 м 1.2 -8.5 -2

Гор.-250м (реперы Р1, Р2, РЗ) 0 8.4 -1.8

Таблица 3.

Среднестатистические значения модулей деформации массивов по данным натурных определений для разных коэффициентов Пуассона.

Место определения Нагрузка (количество определений) (Е± А Е) /1000

у=0 у=0.3 у=0.5

Гор.-450 м сжатие (9) 44± 12 37± 12 29 ±10

Гор.-290 м сжатие (16) 4± 1.4 3.2 ±1 2.7±0,8

Гор.-250 м сжатие (4) 12±б.6 8.4 ±2.4 7.1 ±4.6

разгрузка (7) 4.9 ±1,8 6.7 ±3 7.7±3.6

СПР сжатие (И) 5.9± 1.8 5.3 ±1.4 5± 1.2

По данным наблюдений на шахте Магнетитовая в разные временные интервалы Еам и коэффициент поперечной деформации принимают случайные значения. Закон распределения близок к нормальному с наибольшей плотностью результатов определения Еам около средних значений, а коэффициентов поперечной деформации ут - в диапазоне -1-И-2. На СПР в любые интервалы времени Лах, Ла7 изменялись пропорционально и соответствие

линейно деформируемой среде было в 100% временных интервалов в пределах погрешности до 25%.

Массив скальных пород - среда блочная , трещиноватая, то есть он изначально находится в запредельном состоянии. С этих позиций полученные результаты становятся объяснимыми и подтверждаются лабораторными исследованиями на жестких прессах, проведенными, например, во ВНИМИ, ИГД СО РАН, СПбГИ(ТУ) и др., согласно которым деформирование дискретных дилатирующих сред зависит не только от пути нагружения, но и от начального деформированного состояния (упаковки) блоков среды.

б.Влияние неоднородности механических свойств массивов на их устойчивость.

Рассмотрены три модельные задачи для неоднородных включений, иллюстрирующие теоретическое и практическое приложение результатов исследований.

1.Определим, насколько изменяется напряженное состояние массива относительно его прочности, если массив является включением, отличающимся по деформационным свойствам от окружающего.

Обозначим Ксн - коэффициент снижения первоначальных напряжений ово в низкомодульном включении относительно первоначальных напряжений сто массива вмещающих пород (Ев< Ем). Ксн всегда можно найти из аналитических решений, как

КСн=ов0/о0=Р(Ев/Ем) (19)

Можно записать

<тв0=о0Кс„, [ов0]=[ом] К1СП ' (20)

где в квадратных скобках - пределы прочности массива и включения, К1сп -коэффициент снижения прочности массива включения относительно вме-

щающего, который при известных КУМ массивов находится по зависимостям (1),(2). Разделив первое из равенство (20) на второе, получаем

(21)

[ов] К1СП [ом]

из которого можно определить соотношение действующих во включении первоначальных напряжений и прочности, поскольку все величины в правой части определяются по полученным выше зависимостям, а первоначальные напряжения во вмещающем массиве должны быть, конечно, известны. В диссертации рассмотрено включение с близкими размерами на основе известного решения плоской задачи теории упругости.

2.Определим напряжения в целиках и их размеры на участках рудных массивов с категорией устойчивости, отличающейся от остального. Для определения коэффициентов концентрации напряжений (ККН) в целиках разработан метод расчета, основанный на моделировании совместной деформации целиков и вмещающих пород как упругих элементов. Получена формула для определения ККН в к-ом целике с координатами хк,ук в плоскости падения залежи относительно её центра

к £к0+ А(хк,ук)

on FK+(l + FK)/n Ep/Lz

где 0n , ако - средние первоначальные напряжения в массиве вмещающих пород по нормали к падению залежи и в месте расположения к-го целика; FK - отношение площади целика к площади камеры;

А(х,у)= {f(ßx ) + [1 - f(ßx )]Jl - (~)2 }

{f(ßy) + [l-f(ßy)] |l-(^)2 } (23)

- функция координат, = I/(1+2.33Р?25); ¡ = х,у;

п = 0.68^1(1 - ехр(-12Ьу / Ьх)](± + ; (24)

ь2 i ^з ь2

Ьх, Ьу - размеры в плоскости падения выемки, Ьг - по нормали;

Ез,Е2 ,Ер - модули деформации массивов пород висячего, лежачего боков и

рудного соответственно;

Ер/Ьг = (1 Ер^/Ьи)/^^, (25)

1 1

б - количество целиков в выработанном пространстве.

Расчеты по этим формулам дают расхождение с результатами аналитических расчетов около 10% в сторону завышения ККН.

Первое слагаемое в правой части (22) есть Ксн. Для выдержанной по мощности залежи отношение модулей при втором слагаемом является коэффициентом снижения модуля деформации Ксм включения . Тогда

Кк= —^Ксн+АкКсм, (26)

®п

где Ак = А(хк , Ук) / (Рк + (1+Рк) / п), откуда находится Рк.

Таким образом, зная КУМ включения, массива вмещающих пород и первоначальное напряженное состояние только последнего, возможно рассчитать размеры целиков во включении.

3.Тектонические нарушения (ТН) также являются неоднородностями, прочность которых намного ниже, чем у массивов, находящихся между ними. При разработке месторождений во вмещающих породах около выработанных пространств накапливается энергия, возрастает вероятность динамических подвижек в первую очередь по наиболее ослабленным участкам - тектоническим нарушениям (ТН).

Имеющиеся данные наблюдений на геодинамических полигонах, сейсмологии, геологические материалы свидетельствуют о том, что в плоскости ТН существует периодичность выступов и длина этих выступов прямо пропорциональна рангу нарушения.. Установленный в данной работе экспериментально эффект нелинейного деформирования массива в направлении, перпендикулярном изменяющейся компоненте напряжений, при рассмотрении такой геометрии ТН объясняет локальные поднятия или опускания земной поверхности изменением горизонтальных давления.

В работе приведено модельное решение плоской задачи теории упругости для расчета устойчивости ТН по нескольким направлениям около выработанного пространства, имеющего форму прямоугольника. Непосредственно швы ТН обычно представлены глинкой трения, милонитом, зеркалами скольжения, для которых можно принять р«10°, сцепление С<0.1 МПа и им можно пренебречь. Породы вне шва в зоне разлома, как правило, неустойчивые и характеризуются категорией устойчивости КУМ « 4. Согласно зависимости (2) в этой зоне прочность массива на одноосное сжатие равна 7 МПа, тогда сцепление С^ОЛч-О.З^СТам =1.5+2 МПа, угол внутреннего трения скальной породы можно принять 30°. Понятно, что скол выступа по породе энергетически не выгоден в отличие от смещения по шву, но при достаточном уровне напряжений вполне возможен скол более мелких неровностей на выступе (форшоки).

Установлено, что в зависимости от ориентации ТН относительно выработанного пространства и главных первоначальных напряжений, может происходить накопление или снижение потенциальной энергии по нему. Чем больше размер выработанного пространства, тем большего ранга (размера) ТН может быть вовлечен в движение. В зависимости от местонахождения нагруженных выступов ТН, техногенное землетрясение (горнотектонический удар, толчок) может произойти как в зоне ведения горных ра-

бот, так и в глубине массива. Выделение максимальной энергии в динамической форме возможно только тогда, когда знак дополнительных касательных напряжений соответствует знаку первоначально существовавших по ТН, а направление действия обоих - смещению по нагруженной стороне выступа с положительной дилатансией.

Проведена оценка максимальной работы сил трения при смещении в плоскости ТН по его выступу и энергии формоизменения объема массива с использованием зависимости (18) для Еам. Рассчитанные значения для динамически опасного ТН около рассмотренного выработанного пространства, получились близкими по величине, то есть допустимо проводить расчет сейсмической энергии по любому методу.

7. Применение результатов исследований в практике горнорудного производства.

Соколовский подземный рудник Соколовско-Сарбанского ГПО (Казахстан). Проведенные исследования механических свойств руд и пород в лабораторных условиях, первоначальных напряжений, прочностных и деформационных характеристик массивов в натурных условиях, разработанная методика расчета напряжений в рудных и искусственных целиках с учетом очередности отработки и закладки камер, позволили установить общие закономерности формирования НДС в искусственных и рудных массивах. Применение низкопрочных и безцементных составов позволило ССГПО снизить расход цемента более, чем на 1 тыс. т., граншлака - на 9 тыс т. в год. Результаты исследований заложены в "Указания по выбору параметров камер на Соколовском подземном руднике ССГОКа", и в "Технологическую инструкцию по производству закладочных работ на СПР ССГОКа". Указанные нормативные документы являются базовыми при принятии технологических решений на СПР.

Шахта Магнетитовая Высокогорского ГОКа (Урал). Разработаны мероприятия по обеспечению устойчивости компенсационных камер и выработок в блоке 21, представляющем мощную штокообразную залежь. Система разработки - этажного блокового принудительного обрушения. Комплекс мероприятий, в том числе применение двух изобретений по повышению устойчивости камер, позволил шахте Магнетитовая отрабатывать панели блока 21 на гор.-450 м без осложнений.

Северная часть Восточно-Ревдинских залежей (ВРЗ) примыкает к региональному разлому и отрабатывается под Высокогорским механическим заводом с применением твердеющей закладки.. Нарушение равновесия в зоне влияния выработанного пространства и подвижка только по части разлома на длине менее 100м и по падению 500м могло привести к динамической подвижке с энергией более 1010 Дж. По рекомендации ИГД УрО РАН оставлен охранный целик с консервацией 2.3 млн. т. руды.

Для устойчивой части участка закладочных работ обоснована возможность снижения нормативной прочности закладки, увеличения размеров камер и недозакладки части камер (совместно с лабораторией сдвижения горных пород и работниками ВГОКа), что позволило отказаться от размещения более 150 тыс. м3 твердеющей закладки.

По разработанному изобретению на шахте Естюнинская применен самосрезающийся потолочинный целик, который позволил увеличить размеры камер. На этой шахте экономический эффект превысил 1.3 млн. руб. в ценах 1982 г.

Шахта Сидеритовая Бакальского РУ(Урал). При разработке 1-ой очереди мощного 20-го блока из-за самообрушения залегающих в кровле камеры сланцев засорение руды превысило 30%. После проведения ИГД МЧМ СССР необходимого комплекса теоретических и натурных исследований во 2-ой очереди блока с запасами 1.5 млн. т. руды по рекомендациям ИГД изменен порядок работ и форма камер. Запасы отрабатывали более 3 лет без самообру-

ний. Экономический эффект даже без учета обогатительного передела составил 200 тыс. руб. в год в ценах 1988 г.

Шахта Молодежная Донского ГОКа (Казахстан) разрабатывает крупнейшее в мире месторождение хромитов. Обоснованы размеры зон неупругих деформаций (ЗНД) около зоны обрушения, что помогло определиться с отнесением штрека лежачего бока гор.-55 м дальше в массив и порядком отработки запасов на северном фланге залежи. Доказана необходимость применения в ЗНД бетонной крепи откаточных выработок мощностью 0.6+1м, замкнутой по почве. С 1995г. шахта Молодежная осуществляет переход на такие крепи и они заложены в проект строительства шахты Центральная Донского ГОКа.

Шахта Центральная Джездинского РУ (Казахстан) разрабатывает камерно-столбовой системой пологопадающее месторождение марганца. К 1989 г. на шахте накопилось около 1 млн. м3 пустот и были опасения, что может произойти спонтанное разрушение целиков. Натурными и аналитическими исследованиями установлено, что большая часть целиков находится в устойчивом состоянии, а их возможное разрушение на отдельных участках не вызовет воздушного удара. Исключены дополнительные затраты на локализацию или погашение выработанных пространств.

Заключение

В диссертации на основании выполненных исследований решена одна из сложнейших проблем геомеханики - установление закономерностей изменения показателей прочности и деформируемости массивов скальных пород, механизма их деформирования в зависимости от структурных особенностей и характера изменения напряженного состояния. Решение этой проблемы имеет важное народно-хозяйственное значение, поскольку позволяет повысить безопасность и эффективность разработки полезных ископаемых, строительства подземных сооружений за счет повышения точности и надеж-

ности расчетов устойчивости массивов и искусственных подземных конструкций.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что между показателями прочности и деформируемости массивов скальных пород и их категорией устойчивости существует тесная, близкая к функциональной корреляционная связь. Разработанная классификация категорий устойчивости массивов (КУМ) базируется на данных, вполне определяемых на стадии разведочных работ.

2. Теоретически обоснована применимость критерия разрушения трещиноватого массива по сжимающим нормальным напряжениям при оценке устойчивости обнажений, который является следствием критерия Кулона-Мора. Показано, что коэффициент запаса прочности (КЗП) в практических расчетах следует определять, исходя из погрешностей, полученных для геомеханических параметров массива. При реальных в горном деле погрешностях этих параметров (некоторые до 30%) КЗП в практических расчетах можно принимать в пределах 1.2-5-1.5 в зависимости от методов исследования НДС с меньшими значениями при определении прочности по полученным в настоящей работе зависимостям, учитывающим естественное состояние массивов на обнажениях.

3. Установлены зависимости прочности и модуля деформации массива от его размеров. Масштабный фактор прочности определяется размерами рассматриваемого объема массива и интенсивностью трепщноватости и не зависит от геомеханических свойств трещин. Наибольший градиент снижения модуля деформации массивов с категориями от устойчивых и ниже наблюдается в диапазоне от 2-5-Зм до 5-г-бм. Эти результаты имеют непосредственное практическое применение при проведении расчетов устойчивости выработок и целиков в зависимости от их размеров.

4. Массив скальных пород проявляет неоднозначность деформирования при изменении напряженного состояния. При простом пути изменения нагрузок, когда компоненты напряжений изменяются пропорционально, он деформируется квазилинейно до 80+90% от предела прочности с явлением гистерезиса из-за необратимых деформаций трещин. При сложном пути изменения напряжений он проявляет свойства моделей широкого спектра сплошных и дискретной сред с ярко выраженными реологическими деформационными процессами и нередкими противоречиями между интегральными значениями приращений напряжений и смещениями. Эти эффекты делают проблематичной возможность оценки напряженного состояния массива по измерениям смещений на больших базах.

5. Установлено, что при напряжениях, составляющих 60-90% от прочности, сложном пути нагружения и изменении касательных напряжений на 0.5+1 МПа в скальных массивах с прочностью пород в образце >100МПа и трещинами без заполнителя возникают вязко-пластические деформации с коэффициентом вязкости на 2+4 порядка меньшим, чем в образцах. Одновременно происходят дилатансионные смещения, обуславливающие часто значения коэффициентов поперечной деформации в массивах от устойчивых до неустойчивых в диапазоне -1+ +2. Полученные параметры реального массива дают возможность сделать количественные уточнения при построении моделей его деформирования.

6. В условиях допредельного нагружения при сохранении во времени тенденции изменения напряжений по простому пути массив скальных пород можно рассматривать квазиизотропной линейно деформируемой средой с погрешностью определения изменений НДС 30+40%, что говорит о правомерности постановки и решения многих практических задач геомеханики методами наиболее простого аналитического аппарата теории упругости в пределах указанной погрешности.

7. Экспериментально установлено, что в неустойчивых скальных массивах около выработанных пространств образуется зона неупругих деформаций в соответствии с теоретическими представлениями о хрупко разрушающейся среде с остаточной прочностью. Обоснование механизма хрупкого разрушения позволяет принимать адекватные технические решения по управлению устойчивостью массивов и выработок.

8. В массиве, категория устойчивости которого отличается от окружающего и являющимся включением, существует взаимосвязь прочности и первоначальных напряжений с аналогичными параметрами вмещающего массива. Исходя из механических свойств и напряженного состояния последнего, можно определить расчетным методом соотношение прочности и первоначальных напряжений во включении. Это позволяет прогнозировать устойчивость массива включения и необходимость мероприятий по её повышению до начала ведения в нем горных работ.

9. Разработана модель деформирования массива по тектонической трещине, находящейся в зоне влияния выработанного пространства, согласно которой максимальная энергия смещения выделяется тогда, когда взаимная ориентации трещины, выработанного пространства и первоначальных главных напряжений. способствуют дилатансионному расширению трещины. Рассмотренная модель деформирования позволяет при изученной тектонической нарушенное™ массива осуществлять теоретический прогноз и целенаправленный поиск опасных по динамическим проявлениям нарушений и их участков. Ю.Результаты исследований применены в решении практических задач по геомеханическому обоснованию параметров систем подземной разработки рудных месторождений Урала и Казахстана, обеспечив повышение безопасности ведения горных работ, реальное снижение материальных и финансовых затрат, заложены в нормативные документы по определению размеров камер и целиков, механических свойств твердеющей закладки на конкретных месторождениях.

11. Закономерности деформирования скальных массивов установлены по результатам натурных исследований в различных по геологическим и структурным особенностям массивах, поэтому они универсальны и применимы в разных областях науки и техники, занимающихся механикой массивов и строительством подземных сооружений.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных трудах:

1 .Физико-механические свойства горных пород Урала / Боликов В.Е., Зубков A.B., Шуплецов Ю.П. и др.// Устойчивость бортов карьеров и управление горным давлением: Тр. ИГД МЧМ СССР,- Свердловск., 1972,- Вып. 17,-С.158-164.

2.Влох Н.П., Шуплецов Ю.П. О возможности определения расчетными методами механических свойств и первоначального напряженного состояния массива крепких горных пород // Материалы V Всес. конф. по механике горных пород: Тез. докл.- М.: ИФЗ, 1974,- С.18.

3.Влох Н.П., Шуплецов Ю.П. Задача о распределении напряжений в массиве пород при выемке наклоннопадающих рудных тел // ФТПРПИ.- 1975.-№ 5.-С.9-14.

4.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Определение деформации массива пород в зоне влияния очистной выемки // Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов: Тез. докл.- М.: МГИ, 1978.-С.26.

5.Влох Н.П., Шуплецов Ю.П. Определение напряженного состояния массива горных пород по измерениям приращений вокруг выработанного пространства // Диагностика напряженного состояния и свойств горных пород в массиве: Сб. научн. тр.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980,- С.57-60. б.Определение упругих характеристик и составляющих первоначальных напряжений массива скальных пород./ Влох Н.П., Шуплецов Ю.П., Ушков

С.М. и др.// Механика разрушения горных пород. Материалы VI Всес. конф. по механике горных пород.- Фрунзе: Илим., 1980.- С.325-334. 7.Обоснование размеров рудных целиков по данным измерений первоначальных напряжений / Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П., Картузов В.И. // Диагностика напряженного состояния и свойств горных пород в массиве: Сб. научн. тр.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР., 1980.- С.57-60. 8.Пат. № 924379 РФ МКИ3 Е 21 С 41/06. Податливый потолочинный целик / Влох Н.П., Зубков A.B., Шуплецов Ю.П. и др.- № 2997552/22-03; Приоритет 04.01.82. Опубл. 30.04.82 бюл. № 16 // Открытия. Изобретения.- 1982.- № 16.-С.168.

9.Опыт применения податливых потолочин при отработке наклонно-падающих рудных тел.// Влох Н.П., Зубков A.B., Шуплецов Ю.П. и др.//-Горный журнал.- 1983.- №11.- С.43-45.

Ю.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Учет неравномерности первоначального поля напряжений при ведении очистных работ в камерах // Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента: Сб. научн. тр.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР., 1983.- С.22-24.

11.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Определение прочности пород в массиве на Соколовском подземном руднике // Изучение свойств пород в массиве геофизическими методами: Сб. научн. тр.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983,- С. 38-42.

12.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Экспериментально-аналитическое исследование НДС массива на Соколовском подземном руднике // Исследование напряжений в горных породах: Сб. научн. тр.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985.- С.39-42.

13.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Геомеханический анализ тектонически нарушенных массивов на Соколовском подземном руднике // Проблемы механики горных пород: Сб. научн. тр.- М.: Наука,- 1987,- С.181-189.

H.Vlokh N.P., Zoubkov A.V., Shupletsov Ju.P. Determenation of stresses and strain modulus in a rock mass by an experemental - analytical method // Field Measurements in Geomechanics: Proc. 2-nd Intern. Symp.- Rotterdam: Balkema,

1988,- P.l 105-1112.

15.Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. Определение НДС скального массива на больших базах // Геомеханические исследования скальных оснований гидротехнических сооружений: Сб. научн. тр.- М.: Гидропроект,

1989.- С.72-77.

16.Шупледов Ю.П. Расчет коэффициентов концентрации напряжений (ККН) в целиках с учетом их жесткости и размеров выработанного пространства // ФТПРПИ,- 1989.- № 3,- С.28-33.

17.Шуплецов Ю.П. Оценка модуля деформации скального массива по результатам шахтных измерений // ФТПРПИ.- 1990.- № 1.- С.28-31.

18.Крутиков А.В., Туляев С.Х., Шуплецов Ю.П. Влияние геомеханических параметров на свойства твердеющей закладки.// Основные направления по снижению расхода цемента на закладочные работы на горных предприятиях: Тез. докл. Всес. научно-техн. семинара, г. Гай. - Свердловск: УНИПРО-медь,- 1991,- С.9-10.

19.Влияние геомеханических факторов на эффективность и безопасность подземных горных работ /Влох Н.П., Зубков А.В., Шуплецов Ю.П., Липин Я.И. // Технический прогресс в горнорудном производстве: Сб. научн. тр.-Екатеринбург: ИГД МП РФ., 1991,- С.82-93.

20.Скрипченко В.В., Шуплецов Ю.П. Исследование напряженного состояния массива пород на шахте Центральная Донского ГОКа // ФТПРПИ.-1992.- № 5.- С.23-29.

21.Shupletsov Ju.P., Zoteev O.V., Shashkin V.N. In-situ and analytical investigations of post-peak deformation of rock mass during underground.// Safety and Environmental issues in rock Engineering: Proc. ISRM Intern. Symp.-Rotterdam: Balkema.- 1993,- P.709-714.

22.Пат. № 1491081 РФ МКИ4 Е 21 С 41/06. Способ разработки месторождений полезных ископаемых / Влох Н.П., Крутиков A.B., Шуплецов Ю.П. и др.- Заявка № 4342739/23-03; Приоритет 02.11.87.

23.111уплецов Ю.П. Зависимость первоначальных напряжений в массиве от модуля деформации пород // Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. Всеросс. конф,- Новосибирск-Екатеринбург: ИГД СО РАН - ИГД УрО РАН, 1994,- С.18.

24.Шуплецов Ю.П., Пятков Ю.Ф., Зотеев О.В. Определение первоначального напряженного состояния массива пород комплексом электрометрического и деформационных методов // Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Тез. докладов Всерос. конф.- Новосибирск-Екатеринбург: ИГД СО РАН - ИГД УрО РАН, 1994,- С.66-67.

25.Шуплецов Ю.П. К расчету устойчивости и сейсмической опасности тектонических нарушений при разработке месторождений полезных ископаемых // Материалы X Межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности,- Екатеринбург: УГГГА.- 1997.- С.189-194.

26.Шуплецов Ю.П. Определение коэффициента запаса прочности массива скальных пород на обнажениях // Проблемы горного дела: Сб. научн. тр. ИГД УрО РАН.- Екатеринбург: УрО РАН.- 1997.- С. 185-193.

27. Шуплецов Ю.П. Особенности деформирования массивов скальных пород в зависимости от характера изменения его напряженного состояния // Проблемы механики горных пород: Тр. XI Рос. конф. по механике горных пород.- С,- Петербург: СПбГАСУ,- С.527-532.

28. Хачай О.И., Шуплецов Ю.П. Об использовании методов математической теории энтропии для анализа временных процессов в напряженной деформируемой среде // ФТПРПИ.-1998.-№1 .-С.46-52.