Тема комплексной магистерской работы: «Обоснование параметров способа управления напряженно деформированным состоянием породного массива, который основывается на использовании невзрывных разрушающих материалов».
Специальная часть: «Исследование закономерностей деформирования пород, которые вмещают горную выработку при их невзрывной статической нагрузке».
Анализ состояния современных горных выработок показывает, что потеря площади поперечного сечения для подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ превышает 30-40%, а на сопряжениях с очистным забоем – достигают 50-70%, что приводит к необходимости их перекрепления и ремонта. Применение более металлоемких конструкций крепей не позволяет решить указанную проблему. Это объясняется сложностью предотвращения и сдерживания развития вокруг выработок на современных глубинах зоны разрушенных пород (ЗРП).
Для сохранения устойчивости пород в пределах ЗРП был предложен способ, основанный на сжатии разрушенных горных пород при помощи саморасширяющихся составов [1]. Основным параметром предлагаемого способа обеспечения устойчивости выработок является расстояние между шпурами с распорными элементами. В качестве средства создания распора предлагается использовать невзрывчатый разрушающий материал НРВ-80, лабораторные исследования свойств которого [2, 3], позволяют определить давление, развиваемое данным составом при различных объемных деформациях.
Существует аналитическое решение подобной задачи для исследования действия взрыва в грунте [4], однако его применение для рассматриваемого случая, на наш взгляд, не совсем корректно, что связано с разным механизмом воздействия на массив, и, соответственно, разными причинами разрушения пород.
Для сравнения взрывного и невзрывного способов нагружения пород было проведено несколько опытов. В масштабе 1:5 моделировался массив пород вмещающий шпур диаметром 43мм, содержащий на первом этапе патрон с ВВ, на втором – невзрывчатый разрушающий материал. В первой серии опытов исследования проводились на гипсовых плитах размерами 240х240х60 мм с прочностью на одноосное сжатие 1,8 МПа. Общий вид плит после испытания приведен на рисунке 1. разными причинами разрушения пород.
Рисунок 1 – Результаты разрушения плит из гипса
а) при помощи ВВ;
б) при помощи НРВ-80.
Анализ состояния поверхностей шпуров, после проведения экспериментов, показал, что при взрывном разрушении стенки шпура пересечены системой радиальных трещин, а при невзрывном – стенки практически гладкие. Таким образом, несмотря на наличие трех открытых поверхностей для испытываемых плит, очевидно вследствие динамического воздействия взрыва, околошпуровая область разрушается, в то время как при постепенном нагружении стенки шпура остаются неразрушенными. Состояние стенок шпуров после разрушения образцов приведено на рисунке 2.
Во второй серии опытов исследования проводились на образцах из глины, помещенных в пластиковые цилиндры. Влажность глины составляла 26%. Диаметр пластиковых цилиндров 70 мм для первого опыта и 175 мм для второго опыта. Общий вид образцов первого и второго опыта после проведения эксперимента приведен на рисунке 3 и 4 соответственно.
Рисунок 2 – Стенки шпуров после разрушения образцов
а) при помощи ВВ;
б) при помощи НРВ-80.
Рисунок 3 – Общий вид образцов после их нагружения (наружный диаметр 70мм)
а) при помощи НРВ-80;
б) при помощи ВВ.
Рисунок 4 – Общий вид образцов после их нагружения (наружный диаметр 175мм)
а) при помощи НРВ-80;
б) при помощи ВВ.
Анализ представленных рисунков показывает, что в результате взрывания заряда ВВ, в глине образуется цилиндрическая полость диаметром 3,0-3,30 диаметра шпура, за пределами этой полости сплошность испытуемых образцов не нарушена; далее наблюдается зона уплотнения материала диаметром 4,7-4,9 диаметра шпура, то есть, можно утверждать, что зона влияния взрыва ограничивается 5 диаметрами шпура. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с данными полученными при взрывании камуфлетных зарядов в глине [5]. Результатом действия невзрывчатого разрушающего материала также является образование полости диаметром 2,8-3,2 диаметра шпура; однако за пределами этой полости образцы разбиты радиальными трещинами диаметром 6,2-8,0 диаметра шпура, а зона интенсивного уплотнения визуально не наблюдается.
Проведенные исследования показывают, что взрывное и невзрывное воздействие, даже при одинаковом результате, имеет различную природу и характер. При взрыве мгновенно высвобождается большое количество энергии, что приводит к импульсному воздействию на породы, в результате чего породы контура шпура, находящиеся на фронте ударной волны, разрушаются от мгновенного действия сжимающих напряжений, не успевая перераспределить давления от расширения взрывных газов вглубь массива, при этом область влияния взрыва небольшая, так как происходит интенсивное затухание ударной волны.
Передача давления от саморасширяющегося материала на вмещающий массив осуществляется постепенно: в массиве происходит перераспределение напряжений, и контур шпура успевает разгрузиться от повышенных сжимающих напряжений, в результате чего стенки шпура остаются практически ненарушенными, а вокруг шпура образуются сдвиговые трещины.
Таким образом, можно сделать вывод, что деформационные процессы, возникающие в массиве при расширении невзрывчатых разрушающих веществ, имеют различный механизм и свои особенности, по сравнению с процессами вызываемыми действием взрыва, что определяет различную область влияния шпуров, содержащих патрон с ВВ, и невзрывчатый разрушающий материал. Из сказанного следует, что задача определения особенностей передачи давления, от стенок шпура, вмещающего саморасширяющийся материал, вглубь породного массива является актуальной и требует решения.
Цель работы – определения зоны влияния одного распорного элемента и изучение закономерностей передачи давления от стенок шпура содержащего саморасширяющийся материал вглубь породного массива
Идея работы – заключается в использовании особенностей невзрывного нагружения горных пород с целью обеспечения их устойчивости.
Задачи, решаемые в магистерской работе:
1. Установление закономерностей передачи давления от стенок шпура содержащего НРМ вглубь массива
2. Обоснование рациональных параметров предлагаемого способа обеспечения устойчивости выработок.
Объект исследования – структурно неоднородный породный массив.
Предмет исследований – деформационные процессы в породном массиве вызванные их статическим нагружением.
Методы исследования – систематизация, аналитический, метод физического моделирования, стендовые испытания, метод статистической обработки данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые установлены особенности передачи давления саморасширения от стенок шпура вглубь массива в сплошной и дискретной среде;
- получены корреляционные зависимости коэффициента передачи давления вглубь массива от горно-геологических условий.
Практическая ценность работы заключается в обосновании параметров способа обеспечения устойчивости выработок, основанного на применении НРМ.
Теоретическое обоснование изменения напряжений в материале для подобной задачи дано Лямэ для бесконечно толстостенного цилиндра. Однако решение этой задачи дано в упругой постановке, это дает значительную погрешность в расчетах, что связано с анизотропностью породного массива. Также задача передачи давления от стенок шпура вглубь массива для различных условий достаточно детально изучена в физике взрыва. Однако импульсный характер приложения нагрузки в этом случае приводит к различному характеру нагружения материала и соответственно погрешности предлагаемых расчетов.[5]
Материал применяемый для реализации способа в последние годы широко применяется в мировой практике. Материалы на основе невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ) в настоящее время применяются в инженерном строительстве для разрушения фундаментов и других строительных конструкций. В горном деле эти вещества применяются для разрушения прочных хрупких пород, дробления негабаритных блоков при добыче скальных пород открытым способом, отбойке камнесамоцветного сырья и других случаях взамен традиционных взрывчатых веществ (ГОСТ 9479-84). Это обусловлено высокой безопасностью выполнения работ, отсутствуем сейсмического эффекта и взрывных газов.
В качестве технического средства создания разрушающих напряжений в работе предполагается применение невзрывчатого разрушающего средства НРВ-80 (ДСТУ БВ.2.7-75-98), выпускаемого в настоящее время в Украине Научные разработки по созданию направленного разрушения пород при помощи НРМ в мире не велись.
Основной перспективой исследований является возможность использования результатов работы на предприятиях угольной промышленности Украины.
Результаты магистерской работы будут служить основой для дальнейших исследований.
На данный момент магистерская работа находится в стадии разрабоки, в январе 2011 года более подробную информацию можно получить у автора Володькова Андрея Александровича или у научного руководителя Сахно Ивана Георгиевича.
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.