Анализ изменения напряженного состояния гидроактивизированной зоны породного массива Текст научной статьи по специальности «Геология»

Научная статья на тему 'Анализ изменения напряженного состояния гидроактивизированной зоны породного массива' по специальности 'Геология' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 38 — Геология
  • ВАК РФ: 25.00.11; 25.00.12
  • УДK: 55
  • Указанные автором: УДК: 622.257.1

Статистика по статье
  • 68
    читатели
  • 12
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ДЕФОРМИРОВАНИЕ
  • НАПРЯЖЕНИЯ
  • МАССИВ ПОРОДНЫЙ

Аннотация
научной статьи
по геологии, автор научной работы — Шубин А. А.

Рассмотрен процесс деформирования гидроактивизированного породного массива, разработана реологическая модель нелинейно-вязкоупругого деформирования, получено уравнение для расчета скорости деформаций контакта покровных и коренных отложений

Научная статья по специальности "Геология" из научного журнала "Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал)", Шубин А. А.

 
Читайте также
Рецензии [0]

Текст
научной работы
на тему "Анализ изменения напряженного состояния гидроактивизированной зоны породного массива". Научная статья по специальности "Геология"

УДК 622.257.1 А.А. Шубин
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГИДРОАКТИВИЗИРОВАННОЙ ЗОНЫ ПОРОДНОГО МАССИВА
Рассмотрен процесс деформирования гидроактивизированного породного массива, разработана реологическая модель нелинейно-вязкоупругого деформирования, получено уравнение для расчета скорости деформаций контакта покровных и коренных отложений
Ключевые слова: деформирование, напряжения, массив породный.
Т^идроактивизация породного массива определила развитие в нём новых геомеханических процессов и эффектов. Так, исследованиями [1] установлено, что в породной толще развиваются: эффект блочной перестройки массива в зоне обрушения; эффект гидродинамического напряженного состояния слоев пород в зоне прогиба и эффект горного землетрясения в зоне тектонических нарушений.
Следовательно, при затоплении шахт нарушается геомеханическое равновесие в массиве, при этом накапливаются огромные силы, которые могут проявиться в сдвижении горных пород, прорывов воды и газа на поверхность. Такое сдвижение наиболее вероятно развивается по зонам тектонических нарушений. Причем сдвижение происходит ступенчато или вибрационно, что вызывает эффект горного землетрясения. Даже незначительное сдвижение в массиве создает серьезную угрозу безопасности работы соседних шахт, нарушает целостность прилегаемых зданий, сооружений, коммуникаций и приводит к перераспределению фильтрационных потоков внутри техногенных водоносных горизонтов.
К необратимым и опасным геодина-мическим процессам относятся:
• подвижки породного массива в зонах прямого влияния горных работ;
• развитие техногенной тектонической активности;
• объектово-территориальное развитие гидрогеомеханических напряжений и ударов вследствие затопления горных выработок и объемного распределения гидростатических давлений, результатом которых могут быть локальные землетрясения (гидрогеомеханические удары с разрушением межшахтных целиков, изолирующих перемычек, деформации дневной поверхности и наземных сооружений), а также общее повышение системной сотрясаемости на 1—2 балла даже при фоновых значениях землетрясений на уровне 4—5 баллов.
Таким образом, в перспективе, следует ожидать значительного сдвижения площадей с высоким и близким к катастрофическому эколого-геологическим риском. На этих территориях высока вероятность формирования чрезвычайного экологического состояния, в связи с чем уже на современном этапе необходимо приступить к разработке региональных и объектовых моделей для отдельных
угольно-промышленных районов, усовершенствованию системы экологического мониторинга окружающей среды, разработке методик прогнозирования и управления опасными геодинамически-ми процессами.
Описание процесса деформирования такой геомеханической системы потребовало разработать новую реологическую модель её вязкоупругого поведения. Схема формирования геодинамиче-ских зон в гидроактивизированном породном массиве и основные зоны деформирования приведены на рис. 1. При этом показано, что основное влияние на деформирование поверхности оказывает III зона — гидродинамического напряженно-деформированного состояния. А также учтено, что рассматриваемая зона одновременно обладает свойствами упругого тела (породы) и вязкой жидкости. Такие среды называются вязкоупругими.
Для таких материалов зависимость между действующим напряжением и вызываемой им деформацией имеет сложный вид, так как может содержать производные по времени как компонентов тензора напряжений, так и тензора деформаций. Это объясняется тем, что под воздействием напряжения, кроме мгновенной упругости, свойственной этим средам, в среде может иметь место явление запаздывающей упругости и течения, что обуславливает возникновение обратимых во времени (если речь идет о запаздывающей упругости) и остаточных (при течении) деформаций. Такие среды обычно называют линейновязкоупругими, так как они описываются линейной зависимостью между напряжением, деформацией и их производными во времени. Можно выделить три основные вида деформаций таких сред: упругая, высокопластическая и пластическая, или вязкое течение.
1 ^ угв' с -V 'Ч-. 'Ч- -Ч
"ч- Ґ \ \ і, \ і щ Т і 2.Ш Зон а/
Ргд
11 Зона
). I Зона
;уо-
Рис. 1. Схема формирования геодинамических зон гидроактивизированного породного массива:
1 — угольный пласт; 2 — затопленная зона обрушения; 3 — обводненная зона трещиноватости; 4 — обводненная зона прогиба с гидродинамическим напряжением; 5 — покровные отложения; 6 — гидроактивизированная зона тектонического нарушения
Линейно- и нелинейно-вязкоупругие среды в настоящее время изучают многие исследователи. Актуальность таких исследований имеет место и для породных массивов. Данные исследования позволяют выяснить более детально особенности течения рассматриваемых сред и их основные свойства, что весьма важно для прогнозирования деформационного поведения поверхности.
Если обозначить напряжение, действующее в вязкоупругой среде, т, а деформацию е, то линейная вязкоупругая зависимость может быть записана так: А(т)=В(е),
где А и В — линейные дифференциальные операторы. Причём, в уравнении необходимо учитывать, что т и е являются функциями времени. Зависимость деформации е от времени t при действии постоянного напряжения е т = т0 = const для нелинейно-вязкоупругих тел приведена на рис. 2.
Постоянное напряжение в породном массиве действует в течении времени to. Оно определяется деформацией, вы-
мгновеннои упругостью, следует деформация (участок АВ), вызванная запаздывающей упругостью и течением, затем участок ВС, определяющий деформацию обусловленную одним течением. При снятии напряжения та происходит восстановление мгновенной упругой деформации (отрезок кривой СD). Деформация, обусловленная запаздывающей упругостью, восстанавливается с течением времени, определяемым положением точек D и Е. Остаточная деформация, связанная с течением среды, выражена на кривой отрезком ЕК.
Как видно, реологическое поведение вязкоупругих породных массивов — процесс довольно сложный. Для получения гидродинамических характеристик подобных потоков необходимо предварительно решить следующие реологические задачи:
1) исследовать свойства вязкоупругой среды;
2) получить соответствующую математическую модель реологического поведения среды;
Рис. 2. Изменение £ со временем в вязкоупругих средах
званной мгновенной упругостью, кото- 3) выяснить распределение напряже-рая соответствует участку кривой ОА и ний — что не всегда возможно и требует
равна, согласно закону Гука, отношению тщательного и сложного эксперимента. т^Е. После деформации, вызванной
Рис. 3. Закономерность процесса деформирования гидроактивизированного породного массива
Изучение деформационного поведения подтопленных литологических слоев с тектоническими нарушениями над зонами старых горных работ на ряде шахт показало, что имеется сложный периодический характер зависимости между действующими напряжениями и вызываемой ими деформацией. Это объясняется тем, что кроме мгновенной упругости пород в этих условиях развивается запаздывающая упругость, ползучесть и дискретные подвижки по наиболее слабым (тектоническим) зонам с релаксационным эффектом. Такие деформационные процессы могут развиваться циклически и приводят к изменению структуры породного массива, что и вызывает опасные деформации поверхности (рис. 3).
На рисунке отрезок ОА соответствует упругому деформированию, с течением времени развиваются вязкие деформации (АВ1) и ползучесть (В1С1). В результате достижения предельных напряжений происходит «гидроразрыв» со снятием напряжения (С^) и релаксаций ф^). При этом Хя1 _ время действия напряжения, Х0 — время релаксации, Т = Хя+ X0/ — период ступенчатых деформаций на /-й стадии.
Как видно деформационный процесс гидроактивизированного породного массива, разбитого тектоническими наруше-
ниями, довольно сложный, и в конкретных горно-геологи-ческих условиях требуется его детальное изучение. Для таких деформационных условий разработана усовершенствованная реологическая модель Максвелла-Кельвина-Фойгта (рис. 4). Для решения такой задачи необходимо исследовать свойства геологической среды, что требует применение специальных методов измерений, а затем в соответствии с реологической моделью поведения среды прогнозировать деформационный процесс.
Наиболее адекватно такие среды описываются уравнениями вязкоупругих ступенчатых деформаций. Для этого разработана новая реологическая модель. В модели представлены упругие элементы А1 и А2, вязкие — П1 и П2 и ступенчато-упругий — AL.
Для представленной модели вязкоупругой среды полная деформация системы равна:
8 = 81 + 82 + 8з + 84, (1)
где 81 = т/Е — упругие деформации; 82 = Ъ^т/Ех — ступенчато-упругие деформации; 8//- — символ Кронекера; Ех — модуль деформации ступени; 83 —
Рис. 4. Усовершенствованная реологическая модель Максвелла-Кельвина-Фойгта для гид-роактивизированного породного массива
упруго-вязкие деформации; е4 — вязкие деформации.
Учтем, что в соответствии с законами вязкого деформирования Ньютона и упругого деформирования Гука можно записать:
= Л(1 _ е-1/ <°),
Е
Ц
где ц — коэффициент вязкости; ґ0 = ц/Е — время релаксации процесса.
е = - + 8„ —+ -(1 - е 1 /)+ \1С^. (2) Е ‘ Е, Е' > 3 р
Дифференцируя уравнение (2) по времени t, получим скорость деформирования породного массива
<е= 1 <Ь+^1_ <1 + 1 + 1 е- и (» +
Я Е<Я Е, а ц ц
1 <1 и
+-----(1 -
е
- і / і
).
с
т
+ —
ЕЯ
Или после преобразований получаем:
Ґ И / _// N 5 '
Ц
1 + е/
+
Е,
бт
С
+
(3)
Анализ уравнения скорости деформаций (3) показывает, что первое слагаемое определяет упруго-ступенчатые деформации, а второе — необратимые вязкие.
Предложенная реологическая модель среды и полученное уравнение скорости деформации (3) позволяет разработать методику прогнозирования опасных деформаций поверхности гидроактивизирован-ного породного массива. Входящие параметры в уравнение (3) определяются физико-механическими испытаниями пород и скважинными гидродинамическими исследованиями.
Тогда уравнение (1) запишем в виде: ------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П. Ме- учебных заведений. — Киев: Новый друк, ханика горных пород. Учебник для Высших 2004. — 400 с. ИШ
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------
Шубин А.А. — кандидат технических наук, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института ЮжноРоссийского государственного технического университета, е-таіі: shubinaa_62@mail.ru

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх