Экспресс-метод определения прочностных и деформационных свойств пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------- © В.Е. Ануфриев, Н.Ф. Денискин,

В.Н. Федоринин, В.Н. Цыцаркин, 2004

УДК 622.274:622.023.23.002.56

В.Е. Ануфриев, Н. Ф. Денискин, В.Н. Федоринин,

В.Н. Цыцаркин

ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОРОД

Семинар № 2

~П следствие технического перевооружения технологии подземной угледобычи увеличились темпы подготовки выемочных полей, их размеры. Кроме того широкомасштабный переход от материалоемкого рамного крепления контура выработок к анкерному, переход действующих шахт на более глубокие горизонты, в условиях редкой сети геолограз-ведочных скважин обострили актуальность получения оперативной информации о физикомеханических свойствах горных пород.

Традиционная технология получения информации [1, 2] о прочностных и деформационных свойствах горных пород основана на результатах испытаний отдельностей горного массива (например, в виде керна) в лабораторных условиях, где могут создаваться различные условия нагружения.

Направление исследований состояния горных пород в лабораториях в широком диапазоне условий имеет самостоятельное фундаментальное значение для изучения механизмов деформации и разрушения, для решения экстремальных проблем в горной промышленности, таких как горные удары, внезапные выбросы угля, породы и газа, устойчивость горных выработок на больших глубинах, глубоких и сверхглубоких скважин, а также проблем, связанных со строительством промышленных подземных сооружений. Однако оно не удовлетворяет требованиям горно-

подготовительных работ при подземной угледобыче. Эти требования касаются вопросов: стоимости информации; содержания детальной информации о свойствах горных пород для решения задач анкерного крепления пород; возможности оперативного (своевременного) получения информации в процессе ведения горно-подготовительных работ, охраны выра-

боток; технологичности получения информации; трудоемкости и производительности технологии получения информации.

Для решения задач обеспечения устойчивости приконтурного массива необходимо знание прочностных и деформационных свойств по данным натурных измерений в конкретных горно-геологических условиях проведения и поддержания горных выработок. В таком случае устраняется необходимость учета влияния различных факторов, таких как влажность, пористость, трещиноватость, напряженно-деформированное состояние и др. Несоответствие механических свойств лабораторного образца породы и массива заставляет исследователей искать пути изучения этих свойств в натуре [3, 4,

5, 6].

С точки зрения получения массовой, оперативной, детальной информации о прочностных и деформационных свойствах приконтурного массива перспективным является натурный метод нагружения массива сосредоточенными нагрузками на различном удалении от контура выработки с использованием скважин. При этом диаметр скважин определяется возможностью буровых машин, применяемых для бурения шпуров под анкеры.

Первая попытка измерения прочности пород методом нагружения стенки скважины сосредоточенной нагрузкой была осуществлена КузНИУИ [8] посредством приборов ПМГ1, ПМГ2. По результатам исследований вдавливания штампа с плоским торцом в стенку скважин посредством прибора ПГМ2 были получены статистические зависимости между усилиями вдавливания штампов Ыш, глубиной их внедрения Нш, площадью поверхности штампа и пределом прочности пород на сжатие.

Этот метод определения и прибор ПГМ2 не нашли широкого применения вследствие нетехнологичности его использования. Конструктивное исполнение требовало бурения скважин диаметром 100 мм. Корпус был жестким и имел ограничение на глубину измерения высотой выработки. Регистрация избыточного давления масла на выходе из насоса и глубины внедрения пуансона в стенку скважины велась визуально.

Существенно расширили границы метода определения механических свойств пород вдавливанием исследования, основанные на изучении диаграмм «нагрузка-перемещение» по результатам вдавливания цилиндрического штампа с плоским торцом в торец образца керна. Этот метод позволяет определять предел прочности, предел текучести, твердость, коэффициент пластичности, модуль упругости [6, 9, 10, 14].

Все горные породы по виду диаграмм [14] делятся на три класса: 1 - хрупкие, 2 -хрупкопластичные, 3 - высокопластичные и сильнопористые.

Многие положения методики определения механических свойств пород вдавливанием штампа, разработанных Л.А. Шрейне-ром, можно использовать и при вдавливании штампа непосредственно в стенку скважины. Однако, взаимодействие плоского торца штампа с неплоской стенкой затрудняет анализ диаграмм «нагрузка-перемещение».

Для реализации скважинного метода измерения прочностных и деформационных свойств пород в состоянии in situ в ИУУ СО РАН, КТИ ПМ СО РАН, ОАО Куз-ниишахтострой, Инотех разработан прибор «Пинометр» (рис. 1), устраняющий недостатки предшествующих приборов.

Технические характеристики прибора «Пинометр»

Технические характеристики Максимальное давление пуансона, МПа 380 Максимальное давление ручного насоса, МПа

20

Минимальный диаметр скважины, мм 44

Глубина измерения, м 10

Механический зонд

диаметр, длинна, мм 43;307

масса, кг 2.3

Ручной насос масса, кг 6

Электронный блок с автономным источником питания масса, кг 1.5

Рис. 1. Общий вид прибора «Пинометр»: I - измерительная головка; 2 - гидравлический рукав 2ST; 3 - электронный блок с источником питания; 4 - кабель; 5 - гидрораспределитель; 6 - насос ручной НРГ-000

Форма торца пуансона выполнена сферической. Рис. 2 иллюстрирует характерный вид диаграмм деформирования пуансоном стенок искусственных скважин из бетона разной прочности. Более прочный бетон деформируется как хрупкое тело (рис. 2, а). Менее прочный - как хрупкопластичное тело (рис. 2, б) и пластичное (рис. 2, в).

По оси ординат измеряется избыточное давление жидкости поршневой полости пуансона. Произведение давления на площадь отражает на оси ординат осевую нагрузку Q (рис. 3). При этом характер нагружения не изменяется, увеличивается крутизна наклона графика на участке МА. Участок упругого деформирования МА на интервале перемещения М5у на диаграмме сменяется участком АВ пластических деформаций на интервале §у51. Характерная особенность появления интервала пластических деформаций со-

Рис .2. Графики нагружения поршня пуансона при его внедрении в стенки скважины из бетона различной прочности и зрелости: а) хрупкий бетон; б) хрупкопластичный бетон; в) пластичный бетон

стоит с нарушении «гладкости» графика, вызванных появлением трещин. Появление трещины вызывает падение или замедление роста нагрузки. Появление трещин сопровождается звуковыми эффектами. После снижения нагрузки следует участок крутого подъема и т.д. В результате получается «пилообразный» участок графика на интервале пластических деформаций.

Наклон графика <^-8» на интервале упругого деформирования характеризует модуль упругости Е приконтурного массива.

е

Е = к

08

(1)

где Q

Рис .3. Зависимость изменения нагрузки от перемещения пуансона при вдавливании в стенку скважины из бетона

Погружение пуансона в стенку скважины на интервале ее упругого деформирования под действием силы Q зависит, прежде всего, от деформационных свойств породы (Е, ^ ).

Вдавливание пуансона со сферическим торцом (рис. 4) в стенку скважины аналогично вдавливанию сферы в стенку цилиндрического желоба в задаче Герца (рис. 5) [15]. Шар (Б1) радиуса Я в цилиндрическом желобе (Б2) радиуса г>Я соответствует схеме внутреннего соприкасания. Пятно контакта поверхностей Б1 и Б2 представляет собой выпуклую поверхность эллипсоида с главной полуосью а, эксцентриситетом е и главными кривизнами 1/Ю и 1/Я2, которые по [15] определяются

1 = 1 _ 1- X = 1

К Я г ’

Я2 Я

(2)

нагрузка на интервале упругого де-

П8= MSV

формирования; 7 - внедрение пуан-

сона в стенку скважины; к - коэффициент пропорциональности.

Перемещение 81 и 82 точек первого и второго тел по оси 7, расположенных на некотором удалении от контакта по направлению действия сил Q составляет сумму

8 = 8, +82 (3)

Для дальнейшего нас интересуют параметры: большая полуось эллипса (а) и сближение (8) по оси 7.

Из решения задачи Герца

Рис. 4. Вдавливание цилиндрического пуансона со сферическим торцом в стенку скважины

' = аа [Є ■ Я1(&1 +$2)]3; д = аЙ

(* +32)

(4)

где ая = 3

■к (е)

(5)

полный эллиптиче-

32л Д (е)

к(е) = Ґ(р,г) = її(|,г) -ский интеграл 1 рода,

Д (») =

Е(е) = Е(ф, е) - Е(—, е) - полный эллиптиче-

ский интеграл 1 рода, ф = аГС81П

Р

аа = і/—Д (*)

(6)

Эксцентриситет (е) находится из уравнения ^ (1 - г2)[к(г) - Е(г)]

Я Е (г) - (1 - г2)к (г)

(7)

После определения (Ео) по (1) возможно определение ц из выражения (4) в функции от измеренного перемещения (8*)

5* = 3-№д (8)

где иё -3 + 3,

(9)

Перемещение представляет собой конвергенцию противоположных стенок скважины под действием напряжений от прове-

Рис. 5. Вдавливание шара в цилиндрический желоб

дения выработки и скважины. Но так как они реализуются до проведения выработки и практически не меняются в процессе короткого промежутка времени измерения (2-3 мин) в точке, то 8гд не учитывается. Погружение 8 3 в противоположную стенку скважины цилндра силового модуля более чем в 10 раз меньше погружения пуансона, поэтому для хрупких и хрупкопластичных тел 8Ъ можно не учитывать.

Из формулы (4) для определения 8 можно определить коэффициент Пуассона (ц2) пород в явном виде:

(10)

Из диаграммы «нагрузка-перемещение» по аналогии с методикой определения предела текучести вдавливания штампа с плоским основанием в образцы керна [4] можно принять за предел текучести

=

Є

(11)

ла

где 8п - сечение эллипса контура Ео с а получаемым по (4) соответствующему Qo, а за предел прочности принимается

=

а

па

пЬ1

(12)

где Ъ-радиус поперечного сечения штампа.

Площадь под графиком на интервале М5у характеризует энергию упругого деформиро-

1

вания (рис. 3) Ау = пл.МА8у

Запасенная в теле упругая энергия иу = =Ау расходуется по Грифитсу [2] на процесс прорастания трещины длиной 1 и определя-

ется как

Ау = тй 2о2/Е

(13)

где I - длина трещины.

Нам неизвестны параметры трещины. Но мы по диаграмме ^ - 8) отмечаем границу, где наблюдается первый всплеск падения упругой энергии, что свидетельствует об образовании двух новых поверхностей трещины. Точка (А) этой границы, угол наклона графика позволяют нам оценить Е и Ау. Поэтому из (13) среднее напряжение в теле до образования трещины будет характеризовать среднее напряжение (стт), которое не может не коррелировать с пределом прочности на одноосное сжатие. Вид этой зависимости асж = Г(Лу), будет аналогичным (13), т.е.

ЕА

ле

(14)

где с - коэффициент эквивалентный длине образованной трещины. Оценка коэффициента (с) осуществляется статистическими сравнениями результатов испытаний вдавливания с результатами испытаний образцов на одноосное сжатие.

За величину твердости при вдавливании сферы по Герцу принимают величину максимального давления существующего в центре поверхности давления в момент образованной трещины. Частота опрашивания датчика давления позволяет фиксировать точки падения упругой энергии, что связано с образованием новых берегов трещины. Поэтому появляется возможность по параметрам (а), (е) и (б) определить контактную твердость по Герцу. В центре площадки соприкасания [15] максимальное давление определится как

Р = Р =■

тах к

е

ла

(15)

Метод измерения перспективен для построения паспорта прочности. Суммарное действие напряжений изменяет деформационные характеристики Е и и. массива. Это влияние отражается на параметрах диаграм-

мы - 8». К числу других факторов, влияющих на деформационные свойства [2,

6, 14 и др.] относятся трещиноватость, пористость, влажность. Их совокупность влияет на параметры диаграммы.

Испытания [17] по двухосной схеме нагружения образцов песчаника и алевролита показывают, что угол наклона графиков (характеризующих Е) при атмосферном давлении и давлении 150 кгс/см2 (песчаник), 350 кгс/см2 (алевролит) изменяется с 79° до 86° и с 81° до 85°, то есть увеличивается на 7° и 4° соответственно (на 8,8% и 4,9%). В интерпретации глубины эти изменения соответствуют изменению глубины на 570 мина 1346 м соответственно. Как видно, существенного влияния фактор глубины на изменения Еиц может не оказывать. Однако, глубина влияет на деформационные свойства Еиц через другие факторы, например, уменьшает пористость, увеличивается действие влаги и т.д. Все эти факторы действуют совокупно, изменяя параметры диаграммы нагружения.

Таким образом, с использованием прибора «Пинометр» появляется возможность получать массовую оперативную информацию о деформационных (Е и ц), прочностных (стт апр асж, Рк, Ау) свойствах приконтурного массива и перспективу по данным вдавливания и напряженного состояния окрестности оценивать паспорт прочности. Изложенный материал не претендует на полноту изложения проблемы. Здесь преследуется цель изложить один из методов интерпретации результатов информации, получаемой посредством предлагаемого прибора. Затраты времени на измерение в одной точке по скважине составляют ~3 мин.

С помощью прибора «Пинометр» реализуется, таким образом, экспресс-метод измерения прочностных и деформационных свойств пород приконтурного массив. Основная ценность этого метода состоит в получении массовой (доступной для большинства технологических служб шахт) информации о прочностных и деформационных свойств пород приконтурного массива в различных точках измерения в натурных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильницкая Е.И. и др. Свойства горных пород и методы их определения. - М.: Недра, 1969, -147 с.

2. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. - СПб.: Наука, 2001.343 с.

3. Куваев H.H. Изучение механических свойств горных пород в натурных условиях. - Уголь, 1960, № 12.

4. Бич Я.А. Методические указания по проведению натурных испытаний механических свойств угля и пород с помощью давильной установки. - Изд. ВНИМИ, Л., 1966.

5. Нестеренко Г.Т, Палий В.Д, Орлов Ю.Д. и др. Некоторые результаты и пути совершенствования натурных испытаний прочностных и деформационных свойств крепких и весьма крепких пород./ Материалы четвертой всесоюзной конференции по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород./ -Л.: Наука, 1972, с 245 -249.

6. Джегер Ч. Механика горных пород. - М.: Мир, 1975, с. 255.

7. Нестеренко Г.Т„ Матвеев Б.В. Натурные методы изучения механических свойств структурно нарушенного массива для управления горным давлением и сдвижением горных пород./ Материалы четвертой всесоюзной конференции по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород./ -Л.: Наука, 1972, с 252 - 267.

8. Широков А.П. Анкерная крепь в горнодобывающей промышленности. Кемеровское книжное изд.-во., 1973, с. 150.

9. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. -М.: Гостоптехиздат, 1950, с 136.

10. Шрейнер Л.А. и др. Механические и абразивные свойства горных пород. -М.: Гостоптехиздат, 1958.

11. Павлова H.H., Шрейнер Л.А., Портнова А.Т. Экспериментальные исследобания свойств горных пород при динамическом вдавливании. Сб. «Вопросы деформации и разрушения горных пород при бурении. ГОС-ИНТИ, 1961.

12. Шрейнер Л.А. Методическое пособие по использованию результатов испытаний механических свойств горных пород вдавливанию штампа. -М.: Недра, 1967.

13. Шрейнер Л.А., Байдюк Б.В., Павлова H.H. и др. Деформационные свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. . -М.: Недра, 1968, с. 358.

14. Спивак А.И, Попов А.Н. Механика горных пород. -М.: Недра, 1975,200с.

15. Лурье А.И Пространственные задачи теории упругости. -М.: Недра, 1955, с. 570.

16. Широков А.П.. Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. -М.: Недра, 1978,304 с.

17. Байдюк Б.В. Механические свойства горных пород. - М.: Недра, 1963, С.72-73.

|— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------------

Ануфриев Виктор Евгеньевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории горного давления. Институт угля и углекимии СО РАН.

Денискин Николай Федорович - кандидат технических наук, начальник отдела перспективного развития и новой техники, «Компания "Кузбассуголь”».

Федоринин Виктор Николаевич - кандидат технических наук, зам. директора по научной работ, конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН.

Цыцаркин Валентин Николаевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории геомеханики. Институт угля и углехимии СО РАН.

------Ф

^-------

---------------------------------- © Н.И. Синкевич, 2004

УДК 622.83

Н.И. Синкевич

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА ТАШТАГОЛЬСКОМ ЖЕЛЕЗОРУДНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

Основная цель экспериментально -производственных исследований в шахтных условиях заключается в нахождении эмпирических зависимостей между напряжен-

ным состоянием горных пород, их свойствами, производственно-техническими факторами и проявлении горного давления.