Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок в соляных и ледовых отложениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Кононова, Нина Сергеевна

• Кононова, Нина Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кононова, Нина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОПЛАСТИЧНЫХ МАССИВОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. КРАТКАЯ МИНЕРАЛОГО-ПЕТРОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЛЯНЫХ ПОРОД.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОЛЯНЫХ ПОРОД.

1.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЬДОВ.

1.4. АНАЛИЗ РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УСТОЙЧИВОСТИ КОНТУРОВ ВЫРАБОТОК В РАЗЛИЧНЫХ ГОРНЫХ МАССИВАХ.

1.5. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. ОБЩИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.2. ВЫБОР СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПРУГО-ПЛАСТИЧНЫХ ПОРОД.

2.3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ СОЛЯНЫХ ПОРОД.

2.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЬДА.

2.5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СОЛЯНЫХ И ЛЕДОВЫХ МАССИВАХ.

3.1. ВЫБОР МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА.

3.2. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТОНКИХ СЛОЕВ КАЛИЙНОЙ СОЛИ.

3.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЯДРА ПОЛЗУЧЕСТИ УПРУГОПЛАСТИЧНЫХ ПОРОД.

3.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКРЫТЫХ СТВОЛОВ

СКВАЖИН В МОЩНЫХ ЛЕДОВЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ СОЛЯНЫХ И ЛЕДОВЫХ МАССИВОВ ВБЛИЗИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И СКВАЖИН.

4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВОВ И ВЫРАБОТОК.

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЖЕСТКОСТИ И ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕЛИКОВ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФОРМ.

4.3. УСТОЙЧИВОСТЬ УПРУГО-ПЛАСТИЧНОГО ГОРНОГО МАССИВА ВБЛИЗИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК.

4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ СТОЛБА ЗАЛИВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ

БУРЕНИИ СКВАЖИН В ЛЕДОВЫХ МАССИВАХ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок в соляных и ледовых отложениях»

Актуальность темы диссертации

Необходимость поддержания устойчивости горного массива и сохранения контуров существующих и вновь сооружаемых горных выработок, а также поддержание открытого ствола буровых скважин (особенно глубоких) в толще упругопластичных массивов (в солях и особенно мощных ледовых отложениях) является актуальной научно-технической задачей. Актуальность темы подчеркивается также тем, что отработанные горные выработки в соляных отложениях могут быть использованы, в частности, для захоронения и временного хранения отработанного ядерного топлива и других радионуклидных отходов. Разработка методов поддержания контуров выработок и скважин требует при этом оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) упругопластичного массива вблизи названных выработок и скважин, что является самостоятельной и актуальной научно-технической задачей.

В этой связи особую актуальность приобретают исследования процессов деформирования упруго-вязко-пластичных массивов, а также вопросы, связанные с разработкой достаточно простых и достоверных методик оценки устойчивости и напряженно-деформированного состояния (НДС). Данное направление имеет самостоятельное значение и ориентировано на регистрацию различных форм проявления горного давления. В тоже время оно является неотъемлемой частью параметрического обеспечения геомеханических расчетов и вызывается необходимостью предупреждения конвергенции (затекания) контуров горных выработок и скважин в толще упругопластичных массивов.

Как известно, все соляные породы, а также мощные ледовые отложения весьма склонны к ползучести, то есть к способности деформироваться при длительном действии постоянных во времени нагрузок. В связи с этим для использования теоретических расчетов при решении различных горнотехнических задач весьма актуальным является знание и определение реологических свойств указанных выше пород и массивов. Исходя из этого, весьма целесообразным и особенно сложным является определение параметров пластической деформации, обусловленной ползучестью ледовых толщ и соляных пластов, в первую очередь, так называемого ядра ползучести (или ядра наследственности), без которого невозможно составить реологическое уравнение. Таким образом, наряду с аналитическими проработками, возможно и экспериментальное определение параметров ядра ползучести для конкретных соляных или ледовых массивов.

Особую актуальность приобретает проблема обеспечения безопасной и рациональной отработки калийных и каменно-соляных месторождений подземным способом, а именно: учет влияния фактора времени на напряженно-деформированное состояние пород вокруг горных выработок. Эта проблема имеет важное значение для оценки устойчивости капитальных и подготовительных выработок, камерных целиков, потолочин и других конструктивных элементов.

При этом большой вклад в развитие теории и практики оценки ползучести соляных пород внесли отечественные ученые и специалисты: Асанов В.А., Барях A.A., Булычев Н.С., Бесков М.И., Глушко В.Т., Ержанов Ж.С., Константинова С.А., Крайнев Б.А., Максимов А.П., Николайчук H.H., Пермяков P.C., Проскуряков Н.М., Протосеня А.Г., Соколовский В.В., Ставрогин А.Н., Фотиева H.H., Черников А.К. и др.

Говоря о ледовых отложениях, следует отметить, что лед является одним из самых распространенных твердых тел на земной поверхности. Примерно 20 млн. км , или 1,7% всего объема воды на Земле, находится в виде льда; ледниками покрыто около 16 млн. км , или 10,8 % поверхности суши, что составляет 3,1 % всей площади Земли [93]. Многолетнемерзлая порода, содержащая лед, занимает более 14 млн. км . Пространственное размещение природных ледяных тел и их взаимодействие с окружающей средой связано с изменением внутренней энергии физических, химических, механических свойств льда и его динамикой. Законы движения природного льда в пространстве и внутренний массоперенос вещества в нем определяется механическими процессами и условиями окружающей среды, что обусловливает необходимость решения проблемы механики природных льдов. Помимо теоретических аспектов, многообразно практическое использование основ механики природных льдов. Мощные ледники (арктические и, особенно, антарктические) определяют климат если не всего земного шара, то достаточно обширных регионов, а также термический режим гидросферы и литосферы. Наличие больших массивов льда на суше и на громадных водных пространствах, их непрерывная динамика существенно отражаются на региональном неравномерном распределении тепловой энергии на всей площади Земли. В среднем за год покрывается снегом и льдом около 72 млн. км2 земной поверхности, и на всем этом огромном пространстве приход солнечной энергии втрое меньше нормального. Оледенение планеты оказывает определяющую роль в геолого-геофизических процессах, в эволюции животного и растительного мира. Поэтому изучение мощных ледников, в первую очередь, антарктических, является важной научной и практической задачей, которая определяет необходимость отбора проб льда для его изучения с больших глубин (до 3,5 км на ст. Восток в Антарктиде). А это в свою очередь можно осуществлять только бурением глубоких скважин с обеспечением устойчивости их стволов в ледовом массиве при его пластическом течении (ползучести), что определяет необходимость осуществления специфических мероприятий по реализации технологии такого бурения. Этот фактор и определяет актуальность изучения поведения льда как упруго-вязко-пластичного массива, в первую очередь, его напряженно-деформированного состояния (НДС).

В области изучения поведения льда под нагрузкой широко известны работы: Баркова Н.И., Быченкова Е.И., Васильева Н.И., Зотикова И.А., Короткевича Е.С., Кудрявцева В.А., Кудряшова Б.Б., Савельева Б.А., Слюсарева Н.И., Цытовича H.A., Шумского П.А. и других.

Выбор соляных пород и мощных ледовых отложений в качестве объектов исследований по диссертационной работе определяется сходством их реологических свойств и относительно недостаточной изученностью. При этом реологическое сходство проявляется в широком диапазоне нагрузок и температур, при которых соляные породы и лед ведут себя как массивы, способные деформироваться во времени под действием постоянных нагрузок (собственно ползучесть) со снижением напряжений при постоянной деформации (релаксация) и изменении прочности в ходе длительного действия нагрузки.

Актуальность темы диссертации подчеркивается ее соответствием плану НИР СПГГИ (ТУ) по основным научным направлениям (х/д 5/2001 "Разработка научно обоснованных рекомендаций по ремонту и восстановлению горных выработок на нефтешахтах ОАО "Битран"; х/д 15/2003 "Разработка технических средств и технологии оперативного закрепления интервалов с неустойчивыми горными породами при бурении глубоких скважин").

Цель работы заключается в повышении устойчивости горных выработок в упруго-вязко-пластичных массивах на примере соляных и ледовых отложений.

Идея работы заключается в геомеханическом обосновании повышения устойчивости горных выработок и глубоких скважин, а также в оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) соляных и ледовых массивов, которые могут базироваться на доказанной идентичности их реологических свойств.

Задачи исследований:

1. Оценка физико-механических и реологических свойств соляных пород и ледовых толщ и обоснование идентичности их поведения в зонах влияния горных выработок и скважин.

2. Исследование реологического состояния и НДС соляных пород на примере тонких слоев калийной соли в соответствии с моделью течения вязкой жидкости.

3. Экспериментальное определение параметров ядра ползучести (наследственности) соляных пород как функций и времени и уровня нагружения.

4. Разработка рекомендаций по обеспечению сохранности контуров открытых стволов скважин в ледовых массивах.

5. Разработка научно-практических рекомендаций по геомеханическому обоснованию методов предупреждения конвергенции контуров горных выработок в соляных породах на примере подготовительных и очистных забоев.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Функция податливости, скорость деформации и пластическая вязкость соляного массива линейно зависят от времени и уровня нагружения, при этом поведение калийной соли в маломощных пластах может быть удовлетворительно аппроксимировано моделью течения вязкой жидкости.

2. Линейные деформации охранных сооружений при камерной отработке соляных месторождений оцениваются значениями коэффициентов объемной жесткости целиков, при этом возможные нагрузки на крепь подготовительных выработок могут быть определены радиусом предельной области влияния выработки на устойчивость горного массива.

3. Обеспечение устойчивости контура ствола скважины при бурении в мощных ледовых отложениях идентичных по реологическим свойствам соляным массивам, обеспечивается посредством заливки скважин незамерзающей жидкостью, высота столба которой определяется мощностью самих ледовых отложений, параметрами заливочной жидкости, законом и скоростью течения льда и технологическими особенностями бурения.

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций определяется достаточным уровнем сходимости расчетных и экспериментальных данных, при доверительной вероятности 85-92 % и подтверждается результатами исследований других авторов.

Научная новизна заключается в установлении закономерностей деформирования соляных и ледовых массивов вблизи горных выработок и скважин, как функций физико-механических и реологических свойств, закона течения и параметров ядра наследственности (ползучести) массивов в зависимости от времени и уровня нагружения.

Практическая ценность работы состоит в разработке:

- методики определения возможных эпюр конвергенции и нагрузок на крепь горных выработок посредством уточнения параметров ядра ползучести и определения пластической вязкости соляного массива;

- методики оценки линейных деформаций охранных сооружений при разработке соляных месторождений по коэффициентам объемной жесткости целиков;

- методики расчета необходимой высоты столба заливочной жидкости при бурении глубоких скважин в ледовых массивах на основе определения закона и скорости течения льда.

Реализация результатов исследования: при выполнении НИР по геомеханическому обоснованию устойчивости горных выработок и скважин различного назначения, а также в учебном процессе при подготовке горных инженеров-строителей.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, участие в их выполнении и обработке результатов, разработка практических рекомендаций по реализации результатов работы.

Публикации: основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 печатных работах.

Апробация работы: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2001-03гг. (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург); Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России" (Санкт-Петербург, 2002); 13-ой Зимней школе по механике сплошных сред и Школе молодых ученых по механике сплошных сред (Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, 2003); Международной конференции "Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений" (Тульский государственный университет, Тула, 2003).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, изложенных на 112 страницах машинописного текста; содержит 11 таблиц, 14 рисунков, и списка литературы из 121 наименований, в числе которых 5 зарубежных.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Кононова, Нина Сергеевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выбор соляных пород и мощных ледовых отложений в качестве объектов исследований по диссертационной работе определяется сходством их реологических свойств и относительно недостаточной изученностью. При этом реологическое сходство проявляется в широком диапазоне нагрузок и температур, при которых соляные породы и лед ведут себя как массивы, способные деформироваться во времени под действием постоянных нагрузок со снижением напряжений при постоянной деформации и изменении прочности в ходе длительного действия нагрузки.

2. Поведение калийной соли в тонких слоях, находящихся в объемном напряженном состоянии, при условиях осевого давления более 60 МПа удовлетворительно описываются моделью течения вязкой жидкости с коэффициентом пластической вязкости ц = (0,005 -н од 7) ло1 МПа -с. При давлениях 30-60 МПа ползучесть соли можно аппроксимировать квазижидкостной моделью, при этом значение пластической вязкости у. существенно зависит от уровня нагрузки, а коэффициент Пуассона мало отличается от 0,5. Приведенная модель может быть использована для натурных измерений коэффициента ц для достаточно тонких слоев калийной соли или для целиков с отношением диаметра к высоте более 5.

3. Ползучесть соляных пород удовлетворительно аппроксимируется степенным ядром при параметре а = 0,6 ч-о,7; другой параметр 8 ядра является линейной функцией времени. Полученные экспериментально выражения для параметра 5 показывают его зависимость от уровня нагружения массива.

4. Устойчивость и несущая способность междукамерных целиков при разработке соляных месторождений в значительной мере определяется значениями их коэффициента объемной жесткости и линейной деформации при осевом сжатии от веса выше лежащих пород, что до настоящего времени практически не учитывалось при расчете необходимых размеров этих целиков, при этом целики постоянного сечения обладают большей объемной жесткостью (на 27,9 % по сравнению с трапециевидными), что способствует снижению линейной деформации почти на 40 %.

5. Линейная деформация целика постоянного сечения при определенном значении осевого (главного) напряжения обратно пропорциональна величине объемного коэффициента жесткости материала целика. Линейная деформация целика переменного сечения прямо пропорциональна напряжению, высоте целика, его наибольшей ширине и натуральному логарифму отношения малой ширины целика к большей и обратно пропорциональна модулю упругости при сжатии и разности размеров целика по ширине.

6. Оценка НДС массива вблизи горных выработок и определение радиуса предельной области в массиве и его соотношения с глубиной залегания выработки позволяет оценить возможные нагрузки на крепь, при этом значение радиуса предельной области влияния выработки на НДС массива прямо пропорционально скорости конвергенции контура выработки и пластической вязкости массива и обратно пропорционально пределу текучести пород массива.

7. Введение в расчеты значения модифицированного модуля деформирования, равного половинному значению реального модуля упругости при сжатии, и соответствующих значений модифицированных коэффициента Пуассона и модуля упругости при сдвиге позволяет определить эпюру перемещений незакрепленного контура выработки для различных глубин ее заложения; при этом названная эпюра пропорциональна глубине заложения, квадрату радиуса предельной области и обратно пропорциональна модифицированному модулю упругости при сдвиге.

8. Предотвращение заплывания ствола скважины, буримой в мощных ледовых отложениях может быть эффективно осуществлено путем заливки скважины незамерзающей жидкостью плотностью около 920 кг/м3 на высоту, определяемую, исходя из реальной глубины скважины, физико-механических свойств льда (модуля упругости, коэффициента Пуассона, удельного веса), относительной скорости его ползучести и технологических особенностей бурения (времени затекания скважины, допустимого значения технологических зазоров и состояния (кавернограммы) стенок ствола скважины).

9. Учет влияния свойств льда и его температуры при бурении можно однозначно осуществлять с помощью соответствующего коэффициента, прямо пропорционального относительной скорости ползучести и обратно пропорционального осевому напряжению в степени, равной по данным бурения льдов Антарктиды, п « 2.

10. Для повышения надежности и эффективности обеспечения устойчивости вязко-упругопластичных массивов вблизи горных выработок и скважин различного назначения необходимо расширять экспериментальные исследования в области определения параметров ядра ползучести и закона течения массива, взаимодействия крепи горных выработок с горным массивом с учетом переменного характера горного давления и температуры в массиве.

103

ГЛАВА 4. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО

ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ СОЛЯНЫХ И ЛЕДОВЫХ МАССИВОВ ВБЛИЗИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И СКВАЖИН

4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПО

ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВОВ И ВЫРАБОТОК

Выбор тех или иных мероприятий по обеспечению устойчивости массивов и сохранению контуров горных выработок и скважин базируется на геомеханическом обосновании осуществимости этих мероприятий. Особенно это важно для соляных и ледовых (вязко-упруго-пластичных) массивов, где реологические процессы проявляются в наибольшей мере [101, 104]. При этом геомеханические задачи определяются назначением, глубиной залегания и геометрическими размерами выработок и буримых скважин в названных массивах.

Среди выработок различаются очистные и подготовительные выработки, где поддержание устойчивости как массива, так и самой выработки имеет различные методические подходы.

Для очистных выработок особое значение отдается обеспечению несущей способности целиков, а в подготовительных выработках основная нагрузка передается на крепь (обделку), поэтому рекомендации по их обеспечению будут различными.

В мощных ледовых отложениях главными выработками являются скважины, и поэтому поддержание их контуров является главной геомеханической задачей.

Таким образом, в настоящей главе научно-практические рекомендации по обеспечению устойчивости массивов и горных выработок (скважин) разрабатываются по следующим направлениям:

1. Обеспечение несущей способности целиков при разработке соляных месторождений.

2. Определение нагрузки на крепь подготовительных выработок в соляных породах.

3. Предупреждение заплывания глубоких скважин при бурении в ледовых массивах, например, заливкой скважин незамерзающей жидкостью.

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЖЕСТКОСТИ И ЛИНЕЙНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕЛИКОВ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФОРМ

При разработке многих месторождений полезных ископаемых с оставлением естественных рудных или возведением искусственных целиков возникает необходимость прогнозирования величины проседания земной поверхности в районе ведения подземных горных работ. Известно, что при значительных площадях разработок, поперечные размеры которых сравнимы с их глубиной, величина проседания земной поверхности практически равна вертикальной линейной деформации целиков. Поэтому определение этой деформации будет способствовать и оценке величины проседания земной поверхности, что представляется актуальным и важным для многих горнодобывающих районов [79].

Соляные породы водонепроницаемы, но способны легко растворяться в пресных водах. В мировой практике известны случаи, когда появление в выработках едва заметного капежа с водоносного горизонта заканчивалось гибелью всего калийного рудника [43, 65]. При этом борьба с водой и попытка осушить затопленный калийный рудник не имели успеха.

Если над пластами соли находится водоносный слой, то создается реальная угроза затопления соляных шахт. Поэтому пригодными для эксплуатации могут считаться лишь те пласты солей, которые изолированы от водоносного горизонта естественным водонепроницаемым слоем пород. Вскрывающие месторождения выработки, разведочные скважины с поверхности и стволы шахт должны быть герметически изолированы от водоносного горизонта. Применяемая система разработки не должна вызывать нарушений естественной водонепроницаемости водоизолирующих слоев.

Из известных систем разработки, удовлетворяющих перечисленным техническим условиям, на отечественных соляных рудниках применяется только камерная система разработки с оставлением в выработанном пространстве междукамерных целиков [6, 7, 100]. Главной задачей управления горным давлением при этой системе разработки является определение оптимальных размеров камер и междукамерных целиков [20, 21, 22].

Ранее, расчет ширины междукамерных целиков производился весьма доступным и простым методом, предложенным акад. Л.Д. Шевяковым. В основу расчета по этому методу было положено следующее условие: междукамерные целики должны противостоять полному весу столба пород над целиком и прилегающим к нему выработанным пространством. Исходными данными для расчета являются: глубина разработки, площадь массива, поддерживаемая целиком, объемный вес пород, временное сопротивление пород целика на сжатие и коэффициент запаса прочности.

Значения части перечисленных исходных данных для расчетов до настоящего времени принимаются весьма условно и не поддаются точному определению. Так, метод определения временного сопротивления пород предусматривает кратковременные испытания образцов пород в лабораторных условиях, в то время как междукамерные целики предназначены для поддержания пород на весьма длительный период времени, исчисляемый десятками и даже сотнями лет, и испытывают деформации пластичности и ползучести.

При проведении выработок первоначальное напряженное состояние окружающих горных пород нарушается. Выведенные из равновесия породы стремятся к новому устойчивому состоянию. Перераспределение напряжений приводит к деформациям выработки. Значение величин линейных деформаций и зависимость их от влияющих факторов имеет большое практическое и теоретическое значение.

Определение линейной деформации целиков затруднено тем, что они могут иметь разнообразные геометрические формы: от простых призматических до сложных с переменным сечением при однородном и слоистом строении (рис. 4.1). Деформации таких целиков целесообразно оценивать, используя объемный коэффициент их жесткости при известных упругих характеристиках материала. Наиболее просто это можно сделать для однородного призматического целика постоянного сечения (рис. 4.1, а):

Рк

А/г

БЕ где ЛИ — вертикальная линейная деформация целика, м; Р - общая вертикальная нагрузка на целик, МН; к - высота целика, м; £ - площадь поперечного сечения целика, м2; Е — модуль упругости материала целика при растяжении-сжатии, МПа. а

Рис. 4.1. Основные геометрические формы целиков: а и б — однородный и составной призматические постоянного сечения; в и г — однородный и составной трапециевидные переменного сечения; д — переменного сечения Р

Так как — = а — нормальное напряжение в целике, то для призматического целика:

Из формулы (4.1) следует, что при известном нормальном напряжении в целике линейная деформация последнего обратно пропорциональна величине объемного коэффициента жесткости материала целика.

При разработке месторождений камерной системой с последующей закладкой возможна недозакладка верхних частей камер твердеющими смесями [37, 43], в результате чего образуются целики трапециевидной формы с переменным по высоте сечением. Число рядов таких целиков по высоте отработанного пространства определяется геометрическими параметрами камер и размерами пласта по его падению (рис. 4.2).

4.1)

У 2 где Коб =--объемный коэффициент жесткости материала целика, МН/м . И

7Х\\ >>/\\\>''К\\/Н\\М // чч\/7а и v/ /71\\\7М тол'

-4" -V

I 2 . а. 1

Рис. 4.2. Схема формирования целика из закладочного материала с недозакладкой: 1 - целик;

2 — пустоты; 3 — соляной массив

Объемный коэффициент жесткости такого целика можно рассчитать, пользуясь схемой (см. рис. 4.3). Ширина целика колеблется в пределах Ъ < у(х) < а, где у(х) - текущее значение ширины, зависящее от координаты х по высоте: — \а(к - х) + Ьх\ к где а и Ъ - ширина соответственно верхнего и нижнего оснований целика (см. рис. 4.3, б). а б О т и

7Ш X

Рис.4.3. Геометрические параметры целиков призматического постоянного сечения (а) и трапециевидного переменного сечения (б)

Полная линейная деформация такого целика определяется интегрированием по всей высоте целика значения деформации элементарного его участка сЬс под действием нормального напряжения ст. о8п К сЬс

А/г = I

4.2)

Е о где Б о и 8(х) - соответственно начальная (при х-0) и переменная площади поперечного сечения целика, м2, = а1, Б(х) - у1\1- длина целика по падению пласта, м. Тогда: аик . Ь

Ап = —-г1п—.

Е(а-Ъ) а

Соответственно, объемный коэффициент жесткости для трапециевидного целика переменного сечения:

Е(а-Ь)

Кб--уак 1п— а

Максимально возможная линейная деформация Л/*тах отработанного пространства, т.е. проседание земной поверхности примет вид:

Л^тах =П-7Г->

Коб где п - число рядов трапециевидных целиков; <тср — среднее значение действующих в целиках нормальных напряжении, сг = ——*--; р а плотность горных пород, налегающих на целики, кг/м ; g - ускорение свободного падения, g=9>81 м/с2; Н- глубина залегания пласта от поверхности, м.

Для составных, (например двухслойных) целиков объемный коэффициент жесткости определяется следующим образом:

- для призматического целика постоянного сечения (рис. 4.1, б)

Коб =

Е2 +Ь2ЕХУ

- для трапециевидного целика переменного сечения при /*/=/22=/г (рис.4.1, г)

ЕХЕ7

1-

V а)

К0б ~ ^ > к(Ех + Е2) 1п-а где Е} и Ег - модули упругости при растяжении-сжатии материалов соответствующих слоев целика, МПа; Л/ и Л? - высота слоев целика, м.

Линейная деформация ЛИ целика переменного сечения (рис. 4.1, д) определяется по закону изменения координаты у по высоте целика у=у(х) и формуле (4.2).

В качестве примера рассмотрим расчет проседания земной поверхности над участком горных работ на глубине Н = 300 м для одного слоя однородных целиков двух видов при к = 12 м, Е = 3,5-103 МПа, р = 3000 кг/м3, сгср = 10,6 МПа.

Результаты расчетов представлены в табл. 4.1.:

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кононова, Нина Сергеевна, 2004 год

1. Bolzmann L. Zur Theorie der elastischen Nachwirkung. 1.I S.B. Keiserlichen Akad. Wiss, 1875, Bd 70, Abth. 2, № i, bis 5.

2. Fletcher N.H. The chemical physics of ice. Camb., 1970.

3. Peng S.S. Time-dependent Aspects of Rock Behavior as Measured by a Servo controlled Hydraulic Testing Mashine. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., v. 10, № 3, 1973.

4. Volterra V. Theory of functionals and integral and integro-differential equations. London - Glasgow: Blackie and Son Limited, 1930.

5. Wawersik W.R., Faizhurst C. A Study of Brittle Rock Fracture in Laboratory Compression experiments. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 715,1970.

6. Андреичев A.H. Разработка калийных и каменно-соляных месторождений. М.: Госхимиздат, 4.1, 1953.

7. Андреичев А.Н. Разработка калийных месторождений. М.: Недра, 1966.

8. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления. М.: Недра, 1981.

9. Арутюнян Н.Х. Плоская контактная задача теории ползучести // Прикладная математика и механика, 1959. Т. 23, вып. 5.

10. Арутюнян Н.Х., Дроздов А.Д., Наумов В.Э. Механика растущих вязко-упруго-пластичных тел. М.: Наука, 1987.

11. Атлас структур и текстур галогенных пород СССР. Л., "Недра", 1974.

12. Барях А.А., Константинова С.А., Асанов В.А. Деформирование соляных пород. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.

13. Басовская A.M., Басовский Л.Е. Повышение прочности подземных сооружений. М.: Недра, 1982.

14. Безухов Н.И. Введение в теорию упругости и пластичности. М. Л., 1950.

15. Безухов Н.И. Основы тории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968.

16. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1976.

17. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

18. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин O.A. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

19. Богородский В.В., Гусев A.B., Хохлов Г.П. Физика пресноводного льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.

20. Борисов A.A. Давление на крепь горизонтальных выработок. Л.: Углетехиздат, 1948.

21. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М., Недра, 1980.

22. Борисов A.A., Матанцев В.И., Овчаренко Б.П., Воскобоев Ф.Н. Управление горным давлением. М.: Недра,1983.

23. Бронский А.П. Теория упругости. М., Изд-во Моск. ун-та, 1962.

24. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994.

25. Вайнберг Б.П. Лед. М.: Гостехтеориздат,1940.

26. Бесков М.И. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. — М., Госгортехиздат, 1963.

27. Водопьянов В.Л., Патокин Л.К. Влияние времени и положения в шахтном поле на деформируемость выработок Соликамского калийного рудника. -"Труды Пермского НИУИ", 1965, сб. 8.

28. Водопьянов В.Л., Уразова A.M. Механические свойства карналлита при сжатии. "Труды пермского НИУИ", 1963, сб. 5.

29. Войтенко B.C. Прикладная геомеханика при бурении. М., Недра, 1990.

30. Войтенко B.C. Управление горным давлением при бурении скважин. М., Недра, 1985.

31. Войтенко B.C., Леонов Е.Г., Филатов Б.С. Прогнозирование скорости сужения ствола и расчет важнейших технологических параметров припластических деформациях пород, слагающих стенки скважины. "Нефтяное хозяйство", М., 1974. - № 8.

32. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1959.

33. Галин Л.А. Упруго-пластические задачи. М.: Наука, 1984.

34. Галогенные формации Украины. Киев, "Наукова думка", 1983.

35. Геология соляных и калийных месторождений. Л., 1968.

36. Глоба В.М. Исследование физико-механических свойств калийных солей для оценки условий сооружения и поддержания подземных газонефтехранилищ в соляных породах. "Известия ВУЗов. Нефть и газ", 1968, № 12.

37. Гореликов В.Г., Горшков Л.К., Кононова Н.С. Оценка линейной деформации и коэффициента объемной жесткости целиков очистных выработок. Екатеринбург: УГГГА, 2004.

38. Гореликов В.Г., Горшков Л.К., Кононова Н.С. Оценка устойчивости упруго-пластичного массива вблизи подготовительных горных выработок. Екатеринбург: УГГГА, 2004.

39. Горшков Л.К. Основы теории упругости и пластичность в разведочном бурении: Учеб. пособие / СПбГГИ. СПб, 1992.

40. Горшков Л.К., Кононова Н.С. Оценка устойчивости и напряженно-деформированного состояния тонких слоев калийной соли. СПб.: МАНЭБ, 2002.

41. Горшков Л.К., Кононова Н.С. Устойчивость упруго-пластичного горного массива вблизи подготовительных выработок // Экология и атомная энергетика, вып.1,2004.

42. Горшков Л.К., Кононова Н.С. Экспериментальное определение параметров ядра ползучести вязкоупругих массивов. Тула: ТулГУ, 2003.

43. Горшков Л.К., Милехин Г.Г. Определение объемного коэффициента жесткости и линейной деформации целиков различных геометрических форм /

44. Устойчивость и крепление горных выработок. Межвузовский сборник научных трудов СПб.: СПГГИ (ТУ), 1999.

45. ГОСТ 12071-84. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.

46. ГОСТ 20522-75. Грунты. Метод статистической обработки результатов определений характеристик.

47. Даныш Д.В., Леонов Е.Г., Филатов Б.С. Расчет скорости сужения ствола скважины в пластических породах. "Нефтяное хозяйство", М., 1972. - № 6.

48. Дарков A.B., Кузнецов В.И. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1962.

49. Динник А.Н. Давление горных пород и расчет крепи вертикальной шахты // Инженерный работник, 1966, № 1.

50. Динник А.Н. Устойчивость упругих систем. M.-JI.: Наука, 1950.

51. Еремеев Ю.А., Леонов Е.Г., Филатов Б.С. О сопротивляемости обсадных труб неравномерному сжимающему давлению соляных пород. "Нефтяное хозяйство", М., 1974. - № 1.

52. Ержанов Ж.С. и др. Основы расчета напряженного состояния полостей-газохранилищ в соляных отложениях. Алма-Ата, "Наука" КазССР, 1978.

53. Ержанов Ж.С. и др. Ползучесть осадочных горных пород. Теория и эксперимент. Алма-Ата: "Наука", 1970.

54. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения. Алма-Ата, "Наука" КазССР, 1964.

55. Ержанов Ж.С., Бергман Э.И., Векслер Ю.А. Ползучесть каменной соли в условиях сложного напряженного состояния. "Вестник АН КазССР", 1976, №2.

56. Зарецкий-Феоктистов Г.Г., Лопушняк А.Г., Терещенко В.П. Определение реологических характеристик образцов калийной соли, подкрепленных жесткими кольцами. В сб.: Технология подземной разработки калийных месторождений. Пермь.: ППИ. 1988.

57. Иванов A.A. Пермские соленосные бассейны Печоро-Камского Предуралья. Новосибирск, 1965.

58. Иванов A.A., Воронова M.JI. Верхнекамское месторождение калийных солей. JL: Недра, 1975.

59. Иванов Н.С., Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства мерзлых горных пород. М.: Наука, 1965.

60. Ивлев Д.Д. Теория идеальной пластичности. М.: Наука, 1966.

61. Ильюшин A.A. Пластичность. М. Л., 1948.

62. Инструкция по отбору проб горных пород. Л.: ВНИМИ, 1965.

63. Ишлинский А.Ю. Механика деформируемого тела. М., 1986.

64. Каждан А.Б., Гуськов О.И. Математические методы в геологии. М.: Недра, 1990.

65. Калийные соли Припятского прогиба. Минск, "Наука и техника", 1984.

66. Карманов И.А., Шалушкина Е.А., Львова A.B. Исследование проявлений горного давления на калийных рудниках. В кн.: "Методы определения размеров опорных целиков и потолочин". М., Изд-во АН СССР, 1962.

67. Каталог механических свойств горных пород. Л., 1972.

68. Колесников А.Ф. Основы математической обработки результатов измерений. Томск, 1963.

69. Кононова Н.С. Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок и скважин в вязко-пластичных массивах // Записки горного института. СПб.: 2002. - Т. 152.

70. Кононова Н.С. Определение высоты столба заливочной жидкости при бурении глубоких скважин в ледовых отложениях. // Записки горного института. СПб.: 2003. - Т. 155(1).

71. Кононова Н.С. Предотвращение ползучести льда при бурении глубоких скважин в ледовых отложениях. Зимняя школа по механике сплошных сред (тринадцатая). Пермь: Институт механики сплошных сред УрО РАН, 2003.

72. Кудрявцев Ю.Е. Некоторые новые данные о геологическом строении Стебникского месторождения калийных солей. Л., 1971.

73. Кудряшов Б.Б., Бобин Н.Е., Слюсарев Н.И. и др. Теория и практика бурения протаивания в Антарктиде. // Сб. "Материалы гляциологических исследований". - М., 1973. - Вып. 22.

74. Максимов А.П. Метод прогнозирования устойчивости капитальных и подготовительных выработок и вмещающих пород. Краткий научный отчет. — М., 1970.

75. Медведев Н.С. Прогнозирование минерального состава руды и его стабилизация на основе математического моделирования (на примере Стебникского месторождения калийных солей). 1973.

76. Месторождения калийных солей СССР. Методы их поисков и разведки. Л.: Недра, 1973.

77. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Иностранная литература, 1954.

78. Нарушение обсадных колонн в соленосных отложениях. / Г.А. Стрелец, Б.С. Филатов, В.З. Лубан, Ю.А. Еремеев. "Нефтяное хозяйство", 1970. - № 2.

79. Николайчук H.A., Карташов Ю.М. и др. Методы, аппаратура и результаты исследований горных пород в запредельной области деформирования. М., 1978.

80. Оксенбург Е.С., Шафаренко Е.М. Ползучесть и длительная прочность каменной соли. — "Основания, фундаменты и механика грунтов", 1974, № 6.

81. Опыт бурения-плавления скважин, залитых незамерзающей жидкостью, в Антарктике и Арктике. / Э.А. Загривный, A.A. Земцов, Ю.Б. Кононов, Б.С. Моисеев, П.А. Петухов, А.М. Шкурко. Записки ЛГИ. Том 86. Л., 1981.

82. Пашкевич В.М. Устойчивость ствола скважины при бурении в ледовых отложениях. Записки ЛГИ. Том 86. Л., 1981.

83. Пашкевич В.М., Чистяков В.К. Исследование устойчивости ствола глубокой скважины в ледовом массиве. Записки ЛГИ. Том 86. Л., 1981.

84. Пермяков P.C., Соломинцев Г.Г., Гаркушин П.К. Исследование физико-механических свойств, процесса деформирования и разрушения соляных пород. "Труды Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института галургии", 1974, вып. 67.

85. Привалова Л.А., Антипова A.C., Савицкая В.Н. Соляные месторождения и солепроявления Европейской части СССР и Кавказа (Белоруссия, Прибалтика, Центр и Север РСФСР, Приуралье и Поволжье, Предкавказье и республики Закавказья). Л.: Недра, 1968.

86. Проворов В.М., Новоселицкий В.М., Шихов С.А. К вопросу о структуре фундамента Пермского Прикамья и его связи с осадочным чехлом / Уч. зап. Пермского ун-та, 1968, №166.

87. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. Л.: Недра, 1973.

88. Работнов Ю.Н. Опытные данные по ползучести технических сплавов и феноменологические теории ползучести. И Журнал прикладной механики и технической физики. 1965, № 1.

89. Реологические свойства соляных пород/ Н.М. Проскуряков, B.C. Ливенский, М.Ю. Карташов. Развитие калийной промышленности, обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ, 1974.

90. Ржаницын А.Р. Теория ползучести. М., Стройиздат, 1968.

91. Родин И.В. Постановка и метод решения задач проблемы горного давления/ Труды Дальневосточного политехнического института. Вып. 1. -Владивосток, 1957.

92. Руппенейт К.В., Драновский А.Н., Лыткин В.А. Расчет сборной кольцевой крепи подземных сооружений. М.: Недра, 1969.

93. Савельев Б.А. Изучение механических и физических свойств льда.: Руководство. Под ред. В.А. Кудрявцева. М.: изд. АН СССР, 1957.

94. Савельев Б.Н. Термика и механика природных льдов. М.: Наука,1983.

95. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наукова думка, 1968.

96. Сажин B.C. Упруго-пластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. М.: Наука, 1968.

97. Свойства горных пород и методы их определения. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. М.: Наука, 1969.

98. Сеид-Рза М.К., Исмайылов Ш.И., Орман JI.M. Устойчивость стенок скважин. М., Недра, 1981.

99. Соляные ресурсы Западной Сибири (КазССР, Алтайский край, Новосибирская и Омская области). Л.: Недра, 1967.

100. Справочник по вероятностным расчетам / Г.Г. Абезгауз, А.П. Тронь, Ю.Н. Конопкин, И.А. Коровина. -М.: Воениздат, 1970.

101. Справочник по разработке соляных месторождений / P.C. Пермяков, О.В. Ковалев, В.Л. Пинский и др. М.: Недра, 1986.

102. Ю1.Ставрогин А.Н., Певзнер Е.Д., Тарасов Б.Г. Установка для испытания образцов при трехосном сжатии типа <Т/ > сг? = о}. Авт. св. № 815583, Б.И.,1981, № п.

103. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992.

104. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1979.

105. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость горных выработок на больших глубинах. М., Недра, 1985.

106. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Установка для динамических испытаний. Авт. св. № 1174826, Б.И., 1985, №31.

107. Терещенко В.П., Шкурко A.M. Метод борьбы с сужением ствола скважины. // Тезисы докладов IV Международного симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". -СПб.: 1996.

108. Терещенко В.П., Шкурко A.M. Оценка конвергенции контуров скважины в вязкой среде. // Тезисы докладов на I Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях 5-9 июня 1989 г. — Л.: ЛГИ, 1989.

109. Терещенко В.П., Шкурко A.M. Оценка скорости сужения ствола скважин в вязкой среде. // Методика и техника разведки. СПб.: ВИТР, 1994. -№3 (141).

110. Терещенко В.П., Шкурко A.M. Упругая задача о щелевом способе охраны скважин. // Тезисы докладов на II Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях 2-7 июня 1992 г. — СПб.: СПбГГИ, 1992.

111. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. М.: МИР, 1976.

112. Ш.Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механикигорных пород. Л.: Недра, 1977.

113. Узембло В.В. Соляные месторождения и солепроявления восточных районов СССР. Л.: Недра, 1966.

114. Устойчивость горных пород при бурении скважин на большие глубины. Сеид-Рза М.К., Фаталиев М.Д., Фараджев Т.Г., Исмайылов Ш.И., Целовальников В.Ф. М., Недра, 1972.

115. Физико-химические условия формирования солей Стебникского калийного месторождения. Ковалевич В.М. Киев: Наукова думка, 1978.

116. Цитович H.A. Механика грунтов, м., Высшая школа, 1979.

117. Цитович H.A. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973.

118. Шкурко A.M. Исследование и разработка технических средств и технологии бурения-плавления залитых незамерзающей жидкостью скважин в ледовых отложениях. 1981г.

119. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. М., 1955.

120. Шумский П.А., Ларина Т.Б., Барков Н.И. Сжатие буровых скважин в ледниковом покрове Антарктиды. Инф. бюлл. САЭ № 100. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

121. Экспериментальное бурение скважины, залитой незамерзающей жидкостью. / Э.А. Загривный, A.A. Земцов, Р.Н. Вострецов, А.М Шкурко. Инф. бюлл. САЭ № 100. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

122. Яржемский Я.Я Калийные и калиеносные галогенные породы. Новосибирск, "Наука", 1967.