Обоснование и разработка модели самонапряженного состояния породного массива для обеспечения устойчивости горных выработок (22.09.2011)

Автор: Мороз Алексей Иосифович

Методы исследований. В работе использованы анализ и обобщение данных отечественных и мировых исследований по рассматриваемой проблеме, физическое моделирование, аналитические и экспериментальные исследования на основе геофизических, тензометрических и инструментальных измерений.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

– применением при исследованиях схем формирования напряженного состояния осадочной породы, аналогичных объективно реализуемым в природе;

– использованием апробированных стандартных методик проведения лабораторных исследований и ГОСТов, сертифицированного оборудования при исследованиях процесса разгрузки горной породы;

– представительным объемом экспериментальных данных, совпадением форм разрушения искусственных образцов и кернов породы с больших глубин;

– удовлетворительной сходимостью (90%) результатов аналитических и экспериментальных исследований и их непротиворечивостью.

Новизна работы заключается в:

– разработке общей физической модели и частных структурных историко-генетических моделей, отражающих, в отличие от существующих моделей, остаточные механические напряжения разных знаков в осадочной породе;

– установлении в цикле разгрузки зависимостей, связывающих упругие параметры породы с аналогичными параметрами образующих породу структурных элементов;

–.обнаружении эффектов, сопровождающих формирование самонапряженного состояния, и их регистрации по ряду признаков;

– разработке новой методики определения упругих параметров осадочной горной породы при снятии внешних сил;

–.обосновании подхода к определению внутренней остаточной потенциальной энергии породы после разгрузки;

– обосновании и разработке активных способов крепления, направленных на управление напряженно-деформированным состоянием массива, для обеспечения устойчивости выработок.

Научное значение работы состоит в разработке теоретической модели и установлении закономерностей возникновения остаточных напряжений в элементах породы при разгрузке, знание которых является основой развития нового направления по исследованию механизма самопроизвольной потери прочности породы и использованию его для повышения устойчивости выработок.

Практическое значение работы состоит в разработке стандарта СТО 36554501-019-2009 по выявлению самонапряженного состояния осадочной горной породы, который служит основой для научного обоснования совершенствований способов крепления выработок, и, в частности, во внедрении одного из его положений в виде пригруза подошвы выработки до ее проходки.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на секциях НТС НИИОСП им. Н.М. Герсеванова (1997, 2004, 2009 гг.); на научных симпозиумах МГГУ (“Неделя горняка” 2006, 2007, 2010 гг.); на Международных научных конференциях “Проблемы и перспективы развития горных наук” (1–5 ноября 2004 г.), “Геодинамика и напряженное состояние недр Земли”(10–13 октября 2005г.), (Новосибирск, ИГД СО РАН); “Физические проблемы разрушения горных пород” (18 – 22 октября 2004 г., Москва, ИПКОН РАН); “Геотехнические проблемы мегаполисов” (7–10 июня 2010 г., Москва); (ВМСППС 2005) на секции механики деформируемого твердого тела (25 – 31 мая 2005 г., Алушта).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в том числе 1 монография, 1 авторское свидетельство, 4 патента, 22 статьи – в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 256 наименований, содержит 171 рисунок и 16 таблиц.

Автор выражает признательность научному консультанту д.т.н., проф. Корчаку А.В., коллективам кафедр «ФГПиП» и «СПСиШ» МГГУ за помощь при работе над диссертацией и особую благодарность д.т.н., проф. Баклашову И.В., д.т.н., проф. Картозия Б.А., начальнику отдела НИИОСП им. Н.М. Герсеванова к.т.н. Репникову Л.Н. и сотрудникам НИИОСП – за повседневную поддержку, обсуждение и помощь, участие в постановке и проведении экспериментов.

Экспериментальная часть диссертации выполнена на базе ОАО “НИЦ “Строительство” – НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, натурные исследования осадочной породы – при строительстве станции метро «Тимирязевская» (г.Москва), ускорительного тоннеля (г.Протвино), тоннеля Рогунской ГЭС.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Породный массив до проведения выработок находится в напряженном состоянии, названном в горном деле начальным, которое, в зависимости от характера распределения напряжений в массиве, отражается гипотезами А. Гейма, А.Н. Динника, И.А. Турчанинова. Большой вклад в изучение процессов формирования и описания начального напряженного состояния, механических свойств пород и их моделей внесли отечественные и зарубежные исследователи: С.Г. Авершин, И.Т. Айтматов, Б.В. Байдюк, И.В. Баклашов, Л.И. Барон, А.А. Барях, П. Бриджмен, Н.С. Булычев, С.С. Вялов, Н.М. Герсеванов, М.Г. Зильбершмидт, М.А. Иофис, А.В. Лавров, А.В. Леонтьев, Ю.М. Либерман, Б.А. Картозия, Г.А. Катков, Л.М. Качанов, А.В. Корчак, Г.Н. Кузнецов, М.В. Курленя, Л.А. Назаров, Г.Я. Новик, Б.К. Норель, В.Н. Одинцев, В.Н. Опарин, Н.Н. Павлова, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, А.Ф. Ревуженко, Л.Н. Репников, В.В. Ржевский, И.В. Родин, В.Н. Родионов, А.Д. Рубан, К.В. Руппенейт, Б.А. Рычков, А.Н. Ставрогин, К. Терцаги, К.Н. Трубецкой, Н.Н. Фотиева, С.Е. Чирков, Е.И. Шемякин, В.Л. Шкуратник, Л.А. Шрейнер, Л. Шукле и др.

При традиционном подходе механические свойства породы определяют в основном при испытаниях образцов, извлеченных из породного массива, которые считаются разгруженными, полностью реализовавшими потенциальную энергию, свободными от внутренних напряжений из-за отсутствия внешней нагрузки на поверхности образцов, имеющими свойства, адекватные свойствам in situ. Однако, по данным экспериментальных исследований, механические свойства образцов породы изменяются во времени, на наш взгляд, в том числе из-за наличия остаточных напряжений, обнаруживаемых в породах всех классов. Остаточные напряжения в породе изучали Н.П. Влох, М.Г. Зильбершмидт, В.Н. Родионов, С.В. Ржевская, Ф.П. Саваренский, А.Н. Ставрогин, З.Г. Тер-Мартиросян, К. Терцаги и другие. При этом их наличие объясняют в основном изменением условий залегания породы в массиве, происходящим при ее разгрузке (изменение напряженного состояния, температуры, давления и др. факторов), различием свойств структурных элементов породы (А.Ф. Ревуженко) и т.п.

Саморазрушение пород наблюдали П. Бриджмен, Г.Р. Гамсахурдия, Л.И. Барон, А.В. Ключников, В.А.Усков. Это проявлялось при отборе кернов из массива в виде набора дисков, ориентированных нормально скважине, расслоения, например, на “отдельные бляшки толщиной 2-3 см” с Кольской сверхглубокой (~9 км) скважины (А. Осадчий). Известно разрушение породы через полгода после изъятия из массива (М.И. Евдокимов-Рокотовский). Среди причин снижения прочности отмечали действие тектонических напряжений, газа, взрыва, атмосферных факторов, разгрузку от высоких напряжений, нарушение технологии отбора образцов и др., физико-химические превращения осадочного массива при генезисе (В.И. Николин с соавторами), приводящие при разгрузке к деформациям генетического возврата (ДГВ). Теория ДГВ получила в том числе и критическую оценку из-за рассмотрения деформаций без связи с напряжениями.

Вместе с тем влияние истории формирования начального напряженного состояния породного массива на изменение прочности при разгрузке в основном не изучалось, за исключением исследования Л.Н.Репникова. Однако продолжения работ по изучению изменения механических свойств при снятии внешних сил и после него, влияющих на устойчивость выработок, предложений модели, адекватно отражающей возникновение остаточных напряжений, неизвестно, а конкретно самой разгрузке в исследованиях не уделяется достаточного внимания.

Взаимосвязь истории формирования начального напряженного состояния с напряженно-деформированным состоянием при разгрузке подтверждают простые примеры. Известно, что приложение небольшого давления внутри образца при его искусственном изготовлении ведет к снижению прочности при разгрузке. И даже в структурно-однородном образце, например литой резине, как показали результаты наших исследований, разгруженном от внешних силовых нагрузок, действовавших на него длительное время, имеют место остаточные напряжения.

Образцы для испытаний, изъятые из массива, насыщены информацией о воздействии различных природных факторов при его генезисе (механических, химических, температурных, магнитных и др.). Об образовании массивов пород известна лишь частичная информация, и к их образцам необходимо относиться не просто как к материалу определенных размеров, температуры и др., а как к объекту, напряженное состояние которого в полной мере неизвестно. Хотя в фундаментальных трудах по геомеханике и др. дисциплинам установлены главные особенности генезиса породы, историю ее образования не связывали с формированием начального напряженно-деформированного состояния, которое прямо влияет на изменение напряженного состояния при разгрузке и приводит к возникновению самонапряженного состояния.

Поэтому для повышения устойчивости горных выработок актуальной проблемой является научное обоснование и разработка модели самонапряженного состояния массива пород с учетом истории происхождения его напряженно-деформированного состояния, что и явилось целью диссертационной работы. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи исследования:

( разработка и анализ общей физической модели и частных структурных моделей осадочной породы, отражающих главные особенности формирования напряженно-деформированного состояния массива в гравитационном поле в процессе генезиса и, в отличие от существующих моделей, остаточные напряжения разных знаков при разгрузке;

( обоснование способа описания и объяснение механизма возникновения остаточных механических напряжений разных знаков при снятии внешних сил;

( выполнение системного анализа и определение специфики изменения самонапряженного состояния породы на отдельных стадиях цикла разгрузки;

( выявление критериев, характеризующих самонапряженное состояние;

( проведение экспериментальных исследований по изучению изменения остаточных напряжений в породе для разных глубин залегания в цикле разгрузки, в том числе в раздельно-зернистой породе;

( разработка научных основ и рекомендаций по практическому использованию результатов исследования;

( разработка активных способов крепления, использующих резервы несущей способности массива пород для повышения устойчивости выработок.

Анализ исследований по геомеханике, геологии и другим дисциплинам обнаружил основополагающую особенность, общую для пород различных схем генезиса: разное долевое участие структурных элементов в восприятии внешней нагрузки, которая в том или ином виде вносит вклад в формирование начального напряженного состояния пород. В ее элементах возникают качественно отличающиеся системы напряжений, вызывающих при разгрузке появление остаточных эффектов. Наиболее наглядно эта особенность прослеживается в способе образования осадочной породы с последующей цементацией, который соответствует схеме «нагружение–цементирование». Сущность способа состоит в том, что отложившийся обломочный материал сначала постепенно сдавливался вышележащими, более поздними, слоями осадков (рис.1, а) с вытеснением воды из пор и заполнением их цементирующим раствором, который затем твердел в порах деформированного и уплотненного высоким давлением скелета (рис.1, б).

В диссертации такой “природный способ” образования породы рассмотрен с позиций концепции К.Терцаги о двух системах напряжений.

а) б)

Рис.1. Схема изображения процесса образования осадочной обломочной породы: а - сжатие зерен (1…11) скелета внешней нагрузкой, б – последующее твердение цементного раствора в порах сжатого скелета (показано темным цветом) породы

), в этом процессе не участвующие. При этом полное напряжение равно:


загрузка...