Способ моделирования напряженного состояния горных пород

Способ моделирования напряженного состояния горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к физическому моделированию напряженного состояния горных пород. Цель - повышение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плавунных свойств. Для этого перед изготовлением модели из исследуемого материала изготавливают модель из эквивалентного оптически активного материала с размещенным в ней зондом. Последний перемещают в материале, регистрируют картину изохром и тяговое усилие перемещения зонда. Затем оптически активный материал заменяют на исследуемый. Последний укладывают 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. Прочность исследуемого материала определяют по математической ф-ле. Способ обеспечивает повышение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление подземных горных выработок обводненными разностями рыхлых руд. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И) (511 .1 Е 21 С 39/00

ВсЕСОЮЗНАя

О((ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4357533/24-03 (22) 04.01.88 (46) 23.12.89. Бюл. Р 47 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский ин— ститут по осушению месторождений полезных ископаемых, специальным горным породам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу (72) В.А.Котов, В.А.Жилка и А.В.Топорков (53) 622.23.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 829959, кл. Е 21 D 1/14, 1978. (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.

2 товлением 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 и. исследуемому материалу до наступления предельного напряженного состояния. Перемещают в этом материале зонд, регистрируют его тяговое усилие перемещения. Прочность исследуемого материала определяют ло матема-. тической ф-ле. Способ обеспечивает повышение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление подземных горных выработок обводненными разностями рыхлых руд. 4 ил.

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плывунньгх свойств.

На фиг. 1 изображена схема моделирования из оптически активного материала; на фиг. 2 — перемещение по оптически активному материалу зонда и снятие образующихся изохром вокруг него; г!з !33! . I >! - ние »о картине изохром расчетных характеристик; на фиг. - схема :!Оделирования из исследуемой руды, Сппс 6 (>ч>лнгг, на!!ряженного состоян13Н г«рных и < л г3кг;ючает два этапа. -поди . «Г><-;, -н!." 11;i -бс>чий, Подт эт(3Г< « 3!IT:> !i 3 т л1> < < > с т, :>нт В следуюшем, Б пр>(иоуг (3льну!<3 <?? ????(>дольном и

1г<оперечном чсн;<я! 1 - мкосгь 1 (фиг.1) укладывают Он IH =< К> Iк Г;!г:ыч материал 2., 110 кс т:;; и „.,::- I, 1<>33т Г Помощью 3(ри! -я 3 !!Оо.i->! 1(- <п Гь 301!,гг ь близка д!!аме (,:у 3: >:.> — . .. (I " :I « !г! няб!<Кfl,.I ">>1; И 3;: 1 . !, !! I! Опт. яi<лем Опт!(чески n<(типл;:: и. > млт . риала стенки емкост! 1 11!! !!1(3.>!г!як>г из проз.->„-<, !II . <;..;: -1> i "> ..; Г .1 1",31i i!«BQYJT

< -,.<;1 °

3!<1т -, 3 г -..., >«;i> i,;- и i 1-, I! » ЕРГ1,; I1 —. - 13 3 Ч>-:, >й

6 >к Г<ОГ .: - 11:.(1:,, ": .", Г Г 3 !Ис I— (!,З» IY> T, 1 fi !! 1 i II I.!", ПО

;тярис!(ог(,3 и -!О" 1<, к; - -.;!3;> н.<.>крег! и г (ifi >. Б Р(и i(i(i i >к» .,1; < i л i -1:. . Р.I (3

Р -!Л>> !3> .> I !.: Ч1(1< . ":!. Ii, i - Т. (! с. Н !(Я

ГР(:СЯ, . С, I B0IÃ:

|,; >i0«

Ч(ИI, 11:< (!, >,! . > Рг-,, НИ!! !!!1=1;.ИЗ, 1.->11< - . < .<.; i изс 6 ..р(> и< IT B <1" .,(<>ИГ . (фи! 1j (!, (=!<НОГО !!(!1,>М(1 ря г >п

Л<>< ч(- " <. ° !! Г>, Г гр(3ят

Э Г Н1...i Г К 1!H ° i. u = — (Г с !" >му еняя < и иэтапу МО,.;Рлнро .!i>!(3>, чески як (н: !!ьгй;>! (р<;- ., Н « . --ДУР P—

МЬ>й

А(:-1 - 1 <> Н, i 1 .:= . ;И! (.i CMKOCTI! 1 >.! И : >«.< . Г 1, г Г>то<3

T1P IwiThIIl > „1 ап i<1 <>1 i i i > Г>1<Не!3 г>!И

I.lITi . Я;> .(>;\, <) "70.!Ii- " .1 i t г, >

Рг> i выс <>т, 1 03,;!»;;! >. I I-i;; зм>ээ щг<<(> T TT<3 >(t>4; T .<< (;. BIT!

ЯЗ С|1(3B >(! К> (<; 1s « рачнс го материл.:Tn, нл! ример из оргстеYTIB. когда уровРНН (г(3т(. -Няча 2 до(ти! ЯР Г О >"1!(- т <("! 1 < >< >< Pl < T3«><3(т дн- 25 нам(метр 6 II соединяю Г T араба((ОН /, !с . тор< <й няГ -.." н,г>и(3<>д<3м 8, г! .ржи(3- н ир! >.", ур--".";,-. О Мягки 3. УI:.!гы!,! л3» (> мл Т!-.ðèàë ." 1:н .г кн1й

I > T1 е 1<и э «.- О:.« I 36.1!н-1-(:::Олго- -((3 Г(> I; (-1!1< > 1 1 n k i*, i. ". : i! : - . 0

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 18, представляющим собой модель выработки. На столе 9 около лотка 10 размещают емкость (лоток)

19 для сбора отфильтровавшейся через модель из исследуемого материала 20 жидкости (воду) 21. Наполняют лоток

1(в(д»! и укладынан т в него иссле;yp II< материал 20, размещая в нем

;т(3тчк(к!! 22 давления, регистрирующие, бщ(е (поровое и эффективное) напряжение в лотке 10. (1ля достижения однороднос ти укладываемого материала

20 и лоток 10 воду заливают порциями послойно и равномерно укладывают исследуемь!й материал, поскольку при укладке дисперсного материала в воду вначале оседа3(>т крупные тяжелые ча.Гиць(, а зятем более мелкие. Уровень

i лотке п<3степен!3< повьгшают го мере рав ом(-Оной; кладки слоев мат риллл Во площади лотка r тщятель1(ь.м pго уплотнением.

1(О!.,я уровень уложенного в лотск

° 3 .(и! Рриала 20 достигает Отметки 5

i, > <>IT:, 1,! . Г((3тветс тну3<>щей Отметке

-:. !i I>,ения Г рОГ а 3 > укладь!33ягс>т Hd nO перх <Ость материала зонд 4, 1.pr>c 3 с<3м .:.я><Г! динамометрам 6. Для протяги:. г- =;c нд-. 4 трос под оединчют к араб, нy f . Нр; водом 8, Затем снова

;, -(адг,н I(>T нсследуемьи . материал 20

:.01>.неи 0(метки 5 . На поверхность ...1 <:;1(:(! у I I(3 - О мат Р риала укладывают

>:: . B>yI-: 06(3ã(I÷Y 23, à со полосTT:

< . е(!!1! г(»Г . 1!с!Очг(!!!сом 24 гидростати

-ОГК(3> О да>з.пе!<ия, Уста3<анливают маномез 1; 3, Отк>ечавщий величину поровшего р

:,гн,>рост!3т!3ческого) дя.3ления в иссле.,Усмо! Ä3!e1»3(IIIe 20. Лоток 10 герметиlI3pyI(> с !<Ом(>Щ? ю крьгшки 26 (уплОтни. Рльн:е винты крьш!ки 26 не показаны).

В <>гх;;! (рабОЧИй) Этагг СПОСОба МО,.(- лированиз состоит B следующем. :: — д (к>т воду 2 > г(о трубе 16 под д.l÷Ã! i!м груэОм 15 в ме„3, ис !11 (гкяя ги; рос татнческое ,,ав3! ни<- i ?????????? 0, 110>дах>т глицерин р= . Н< ог . (ч об<3лочку 23 создавая ,-.;, !3!<1Р:>ф(1>ек.гггвнос. напряжение в ис1530881 следуемом материале 20. Затем путем ступенчатого увеличения давления подаваемой по трубе 16 воды создают фильтрационный поток требуемой скорости по материалу 20. Фильтрацион5 ный поток создают между перегородкой

Il и моделью 18 выработки. Заданное равномерное размещение отверстий в перегородке ll обеспечивает требуемое равномерное истечение фильтрационного потока по поперечному сечению лотка 10. 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- 30 ного еостояния с помощью троса 3 протягивают зонд 4 по исследуемому материалу и отмечают усилие натяжения троса динамометром 6. Затем определяют прочность материала по зависимос35

Зависимость (!) получена и: сл .едующих предпосылок.

Экспериментальными исследованиями с оптически активным материалом установлено, что при внедрении зонда вокруг него формируется поле напряжений (фиг. 2), иэолинии которого показывают направление увеличения напряжений „ „ со значениями i (2; 4; 6;

8; 12; 16; 24; 26; 28; 32) 10 Н/м вокруг зонда при соответствующей нагрузке P. Вначале под действием осевой нагрузки P зонд внедряется на небольшую глубину, вызывая разрушение породы в условиях сжатия, а затем по 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 трем диаметрам основания зонда. При этом от массива отделяется элемент породы

abc с образующей конуса а1 (фиг.2), распределяясь по сторонам в пределах зоны влияния конуса. Затем происходит дальнейшее внедрение зонда и отрыв блока аЬс, и процесс повторяется.

Для установления зависимости между возникающими силами при внедрении конуса в породу используют уравнение моментов относительно точки С, вокруг которой сдвигается блок аЬс при отрыве. Момент силы N (нормальной к образующей конуса) равен

К P. сов(юС+0) sino

c»,„- =— — - (I) К .sine где Й „— прочность исследуемого мате- 40 2. риала на сжатие, Н/м

Р— тяговое усилие на зонд в модели иэ исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н; 45

0,5 величины угла при вершине зонда, град; о - угол, определяемый по изохромам по модели из эквивалентного оптически активно- 50 го материала, градэ

R — величина радиуса зонда, м;

К вЂ” 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 =N ° cd. (2)

Момент силы Т (перпендикулярной к плоскости отрыва ас),представляющей собой сопротивление породы разрыву, равен (3) 1 1 т ес.

Выражая cd и ес через параметры конуса, получают

NR сов (М+О) М m m----.---(---°

sin< (4) и

«К Gp» т 2 sinai

Разрыв сплошности массива и отрыв блока abc происходит при условии (6) 1я 11т где G> — прочность породы на растяжение.

1530881

NR cos(о +0) iiR G г 2

2 (7) з1поС 2 sins

Удельная статическая нагрузка на зонд при условии (6) определяется по формуле

Р Я s+n g (8) Решая (7) относительно N и подставляя в (8), получают

Р cosgoL+9) sinai

Г R s in (Г (9) Принимая (9) на основании экспериментальных исследований, например

15 для рыхлой руды О =K б 4, 56, получают окончательно

К P соз(К+6) sinK

С се ;.К,Ы В

Зная величины 6 иб в условиях предельного напряженного состояния можно составить расченый паспорт прочности породы.

Пример. Определяют плывуниые свойства рыхлой железной руды. Иоделирование начинают с размещения в емкости 1 (фиг. 1) оптически активного материала — игдантина, в состав которого входит, 7: фотожелатин 15; глицерин 20; вода б5; нафтол 0,001, Приготовление материала производят по известной технологии. Емкость 1, изготовленная из оргстекла, предста35 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 об50 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 ; R 0,005 м.

Затем переходят к подготовке мод ли из исследуемой руды. Для этого и устройстве для реализации предлагаемого способа вместо емкости иэ оргстекла устанавливают лоток из стальных листов толщиной 0,003 м, размеры лотка 0,40 х 0,50 " 0,30 (h) м (Фиг. 4) . В лотке размещают вертикальную перфорированнук стальную перегородку. В пространстве между перегородкой и стенкой лотка укладывают гравий.

Лоток снабжают патрубком, служащим моделью выработки, причем диаметр стального патрубка 0,05 м. Вблизи стола, на котором размещен лоток, монтируют установку для создания фильтрационного потока в исследуемой модели, состоящую из камеры, поршня с грузами, соединительных труб и запорно-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) напряжение,и 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 а для измерения порового давления в руде. Короб с рудой герметиэируют с помощью крышки.

После этого подачей глицерина под давлением в резиновую оболочку создают нормальное давление Pl 8 10 Н/м б s. на руду с требуемым эффективньач напряжением 5 1,8 10 Н/м . Выдерживают руду под давлением в течение 15 мин, необходимых для ее консолидации. После этого повышают давление фильтрационного потока по руде до 1 12 )О Н/м

5 2.

При достижении градиентом напора у фильтрационного потока I 12.10 Н/м фиксируется помутнение воды, отфильтрованной из лотка с рудой, и начало выноса мелкой фракции руды диаметром

d 5 мк. Поддерживая достигнутое давление фильтрационного потока (1 12 »

«l0 Н/м ), с помощью троса протягивают зонд по руде, отмечая по дина1530881 троса Р46 Н.

6 с* опредеподставляя

5 eC =15 т.е.б ж

К P. cos (oh+0) sino тк ..ЫГ где К—

P50. мометру усилие натяжения

Прочность руды на сжатие ляют по зависимости (1), следующие данные: Р46 Н

9=22,5 ; R 0,005 м К=4

У В 1 У У

=14, 1 10 Н/м

Таким образом, в исследованной руде плывунные свойства возникают при 10 гидростатическом давлении I 12 2 е

s 10 Н/м, что соответствует высоте столба воды Н120 м прн удельной массе воды 1 т/м . Следовательно, для з соблюдения условий безопасности про- 15 ходческих работ по данной руде высота остаточного гндростатического напора воды при водопониженин должна быть менее Н=120 м или же для обеспечения условий гидродобычи данной руды пу- 10 тем перевода ее в плывунное состояние следует в ней создать гидростатическое давление свыше I 12 10 Н/м

3 2 . (1,2 МПа).

Применение способа обеспечивает повьипение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление под30 земных горных выработок обводненныии разностями рыхлых руд. Кроме того, применение предлагаемого способа позволяет выбирать методы добычи руд, например "синьки", используя контролируемый перевод руды в плывунное З5 состояние с ее последующей гидродобычей.

Использование способа для прогнозирования начала образования солевого потока в горах позволяет устранить эффект внезапности его возникновения, снижая приносимай ущерб народному хо- зяйству.

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.

Фо р мул а и з обретения

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 исследуемлй материал и проведение измерений, отличающийся теи, 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 исследуеьый, 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 соотношению эмпирический коэффициент; тяговое усилие на зонд в модели из исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н; угол, определяеиьИ 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 .

l53088l

СостЬвитель В.Петрова

Редактор И.Дербак Техред И.дидык Корректор Л.Патай

Заказ 7929/39 Тираж 449 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобре-.ениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101