Тема комплексної магістерської роботи: «Обґрунтування параметрів способу управління напружено-деформованим станом породного масиву, що ґрунтується на використанні невибухових руйнуючих матеріалів».
Спеціальна частина: «Дослідження закономірностей деформування порід, що вміщують гірничу виробку при їх невибуховому статичному навантаженні».
Аналіз стану сучасних гірських виробок показує, що втрата площі поперечного перерізу для підготовчих виробок поза зоною впливу очисних робіт перевищує 30-40%, а на сполученнях з очисним вибоєм - сягають 50-70%, що призводить до необхідності їх перекріплення й ремонту. Застосування більш металомістких конструкцій кріплень не дозволяє вирішити зазначену проблему. Це пояснюється складністю запобігання і стримування розвитку навколо виробок на сучасних глибинах зони зруйнованих порід (ЗЗП).
Для збереження стійкості порід в межах ЗЗП був запропонований спосіб, заснований на стисканні зруйнованих гірських порід за допомогою саморасшіряющіхся складів [1]. Основним параметром пропонованого способу забезпечення стійкості виробок є відстань між шпурами з розпірними елементами. У якості засобу створення розпору пропонується використовувати невибухових руйнує матеріал НРР-80, лабораторні дослідження властивостей якого [2, 3], дозволяють визначити тиск, що розвивається даними складом при різних об'ємних деформаціях. Існує аналітичне рішення такого завдання для дослідження дії вибуху в грунті [4], проте його застосування для розглянутого випадку, на наш погляд, не зовсім коректно, що пов'язано з різним механізмом впливу на масив, і, відповідно, різними причинами руйнування порід.
Для порівняння вибухового і невибухового способів навантаження порід було проведено кілька досвідів. У масштабі 1:5 моделювався масив порід що вміщує шпур діаметром 43мм, що містить на першому етапі патрон з ВВ, на другому - невибухових руйнує матеріал. У першій серії дослідів дослідження проводилися на гіпсових плитах розмірами 240х240х60 мм з міцністю на одновісний стиск 1,8 МПа. Загальний вигляд плит після випробування наведено на рисунку 1.
Рисунок 1 – Результати руйнування плит з гіпсу
а) за допомогою ВР;
б) за допомогою НРР-80.
Аналіз стану поверхонь шпурів, після проведення експериментів, показав, що при вибуховому руйнуванні стінки шпуру перетнутий системою радіальних тріщин, а при невибухових - стінки практично гладкі. Таким чином, незважаючи на наявність трьох відкритих поверхонь для випробовуваних плит, очевидно внаслідок динамічного впливу вибуху, околошпуровая область руйнується, в той час як при поступовому навантаженні стінки шпуру залишаються незруйнованими. Стан стінок шпурів після руйнування зразків наведено на рисунку 2.
У другій серії дослідів дослідження проводилися на зразках з глини, поміщених у пластикові циліндри. Вологість глини становила 26%. Діаметр пластикових циліндрів 70 мм для першого досвіду і 175 мм для другого досвіду. Загальний вигляд зразків першого і другого досвіду після проведення експерименту наведено на рисунку 3 та 4 відповідно.
Рисунок 2 – Стінки шпурів після руйнування зразків
а) за допомогою ВР;
б) при помощи НРР-80.
Рисунок 3 – Загальний вид зразків після їх навантаження (зовнішній діаметр 70мм)
а) за допомогою НРР-80;
б) за допомогою ВР.
Рисунок 4 – Загальний вигляд зразків після їх навантаження (зовнішній діаметр 175мм)
а) за допомогою НРР-80;
б) за допомогою ВР.
Аналіз представлених малюнків показує, що в результаті підривання заряду ВР, в глині утворюється циліндрична порожнину діаметром 3,0-3,30 діаметра шпуру, за межами цієї порожнини суцільність випробуваних зразків не порушена; далі спостерігається зона ущільнення матеріалу діаметром 4,7-4, 9 діаметра шпуру, тобто, можна стверджувати, що зона впливу вибуху обмежується 5 діаметрами шпуру. Результати моделювання задовільно узгоджуються з даними отриманими при підриванні камуфлетного зарядів у глині [5].
Результатом дії невибухової руйнуючого матеріалу також є утворення порожнини діаметром 2,8-3,2 діаметру шпуру; проте за межами цієї порожнини зразки розбиті радіальними тріщинами діаметром 6,2-8,0 діаметру шпуру, а зона інтенсивного ущільнення візуально не спостерігається.
Проведені дослідження показують, що вибуховий і невибухових вплив, навіть при однаковому результаті, має різну природу і характер. Під час вибуху миттєво вивільняється велика кількість енергії, що призводить до імпульсного впливу на породи, в результаті чого породи контуру шпуру, що знаходяться на фронті ударної хвилі, руйнуються від миттєвої дії стискаючих напруг, не встигаючи перерозподілити тиску від розширення вибухових газів вглиб масиву, при цьому область впливу вибуху невелика, так як відбувається інтенсивне затухання ударної хвилі.
Передача тиску від саморасшіряющегося матеріалу на вміщає масив здійснюється поступово: в масиві відбувається перерозподіл напружень, і контур шпуру встигає розвантажитися від підвищених стискаючих напруг, в результаті чого стінки шпуру залишаються практично непорушеному, а навколо шпуру утворюються зсувні тріщини.
Таким чином, можна зробити висновок, що деформаційні процеси, що виникають у масиві при розширенні невибухових руйнуючих речовин, мають різний механізм і свої особливості, у порівнянні з процесами що викликаються дією вибуху, що визначає різну область впливу шпурів, що містять патрон з ВВ, і невибухових руйнуючих матеріал. Зі сказаного випливає, що задача визначення особливостей передачі тиску, від стінок шпуру, що вміщує саморасшіряющійся матеріал, вглиб породного масиву є актуальною і потребує вирішення.
Мета роботи - визначення зони впливу одного розпірного елемента і вивчення закономірностей передачі тиску від стінок шпуру містить саморасшіряющійся матеріал вглиб породного масиву
Ідея роботи - полягає у використанні особливостей невибухового навантаження гірських порід з метою забезпечення їх стійкості.
Завдання, які вирішуються в магістерській роботі:
1. Встановлення закономірностей передачі тиску від стінок шпуру містить НРМ вглиб масиву
2. Обгрунтування раціональних параметрів пропонованого способу забезпечення стійкості виробок.
Об'єкт дослідження - структурно неоднорідний породний масив.
Предмет досліджень - деформаційні процеси в породному масиві викликаніїх статичним навантаженням.
Методи дослідження - систематизація, аналітичний, метод фізичного моделювання, стендові випробування, метод статистичної обробки даних.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
- Вперше встановлено особливості передачі тиску саморасшіренія від стінок шпуру вглиб масиву на суцільний і дискретної середовищі;
- Отримані кореляційні залежності коефіцієнта передачі тиску вглиб масиву від гірничо-геологічних умов.
Практична цінність роботи полягає в обгрунтуванні параметрів способу забезпечення стійкості виробок, заснованого на застосуванні НРМ.
Теоретичне обгрунтування зміни напружень у матеріалі для такого завдання дано Ляме для нескінченно товстостінного циліндра. Однак рішення цього завдання дано в пружною постановці, це дає значну похибку в розрахунках, що пов'язано з анізотропної породного масиву. Також задача передачі тиску від стінок шпуру вглиб масиву для різних умов достатньо детально вивчена у фізиці вибуху. Однак імпульсний характер прикладання навантаження в цьому випадку призводить до різного характеру навантаження матеріалу і відповідно похибки пропонованих розрахунків.[5]
Матеріал застосовується для реалізації способу в останні роки широко застосовується у світовій практиці. Матеріали на основі невибухових руйнуючих речовин (НРР) в даний час застосовуються в інженерному будівництві для руйнування фундаментів та інших будівельних конструкцій. У гірничій справі ці речовини застосовуються для руйнування міцних крихких порід, дроблення негабаритних блоків при видобутку скельних порід відкритим способом, відбійки каменесамоцвітного сировини та інших випадках замість традиційних вибухових речовин (ГОСТ 9479-84). Це обумовлено високою безпекою виконання робіт, відсутністю сейсмічного ефекту і вибухових газів.
В якості технічного засобу створення руйнують напружень в роботі передбачається застосування невибухової руйнуючого кошти НРР-80 (ДСТУ БВ.2.7-75-98), що випускається в даний час в Україні Наукові розробки по створенню спрямованого руйнування порід за допомогою НРМ у світі не велися.
Основною перспективою досліджень є можливість використання результатів роботи на підприємствах вугільної промисловості України.
Результати магістерської роботи будуть служити основою для подальших досліджень.
На даний момент магістерська робота знаходиться в стадії розробки, у січні 2011 року більш докладну інформацію можна отримати у автора Володькова Андрія Олександровича або у наукового керівника Сахно Івана Георгійовича.
1. Сахно И.Г., Петренко Ю.А., Овчаренко Н.А. Лабораторные исследования особенностей работы разрушенных горных пород при формировании из них несущей конструкции / Проблеми гірського тиску 2008, №16- С 70-81
2. Касьян Н.Н., Овчаренко Н.А., Сахно И.Г., Петренко Ю.А., Самусь О.Л. Лабораторные исследования работы невзрывчатых разрушающих веществ при упрочнении массивов разрушенных горных пород // Науковий вісник НГУ. 2008. - №8. - С. 50-52.
3. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Лабораторные исследование влияния компонентного состава НРВ-80 на его рабочую характеристику при укреплении вмещающего горные выработки массива // Вісник Криворізького технічного університету. 2009. - №23. - С. 31-34.
4. Физика взрыва / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. М.: Наука, 1975.
5. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л. Борьба с пучением почвы горных выработок взрыванием камуфлетных зарядов // Шахтное строительство. - 1961. - №3. - С. 8-10.
6. Литвинский Г.Г. Монолитная оболочка из разрушенных и упрочненных пород // Шахтное строительство, №12, 1981. - 18-20 с.
7.Упрочнение пород в подготовительных выработках / И. Л. Черняк - М.: Недра, 1993. - 256 с.