CC BY
4УДК 539.375:622.236
В. Н. Ревва, В. В. Васютина
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ И СЛАБЫХ АРГИЛЛИТОВ В ОБРАЗЦАХ С ПОЛОСТЯМИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ГОРНЫМ ВЫРАБОТКАМ И СКВАЖИНАМ
В статье представлено физическое моделирование разрушения угля и слабых аргиллитов на образцах с полостями применительно к горным выработкам и скважинам.
Ключевые слова: горные породы, трещина, разрушение угля, пластическая зона, слабые аргиллиты, физическое моделирование.
Введение. Образованная в угольном или породном массиве выработка (скважина) представляет собой вытянутую цилиндрическую полость, расположенную в объемно сжатой хрупкой среде. В условиях объемного сжатия происходят изменения механических характеристик, определяющих поведение этой среды при образовании полости. Главный вопрос в том, как происходит движение хрупкого массива вокруг полости под действием всестороннего давления и какое влияние этого процесса на его деформационно-прочностные характеристики.
Известно [1], что если вблизи выработки напряжения достигают предела прочности окружающих пород, то в них образуется зона предельного равновесия, т.е. неупругих деформаций. В этой зоне происходит нарушение сплошности пород, уменьшается сцепление, а угол внутреннего трения остается на уровне значений в ненарушенном массиве.
Материалы и методы исследования. При математическом описании напряженно-деформированного состояния массива около выработок круглого сечения внешняя граница зоны предельного равновесия представляется в виде окружности, а
начальное горное давление вокруг выработки - гидростатическим.
Академик А. Н. Динник [2] рассмотрел горный массив как упругую среду и показал, что на контуре вертикальной выработки (шахтного ствола) действуют напряжения: вертикальные ов =
уИи горизонтальные <Г = -туИ, где л - коэффициент Пуассона;
1 -л
у- плотность пород; Н - глубина заложения выработки. Он установил, что наиболее вероятно разрушение начнется от наибольших касательных напряжений, которые действуют на площадках, расположенных под углом 450 к горизонту. Разрушение начнется с появления трещин и вываливания кусков породы примерно треугольного очертания, что иногда наблюдается [2].
Исследованием моделей оптическим методом [3] установлено, что на контуре полости круглого сечения тангенциальные напряжения распределяются неравномерно. При коэффициенте
бокового распора 1 = у—^ = 0,25; наиболее характерном для горных
пород, даже в случае равномерного всестороннего давления в массиве в верхней части контура полости возникают растягивающие напряжения (коэффициент концентрации К = 0,25), а в боковых стенках полости - сжимающие, с коэффициентом концентрации К2 = 2,75. Очевидно, что в результате неравномерного распределения нормальных напряжений в боковых стенках полости будут возникать напряжения сдвига, приводящие к разрушению пород вблизи полости.
Л. В. Рабцевич [2] высказал предположение о разрушении пород около выработки круглого сечения следующим образом: первая стадия - разрушение по контуру выработки и формирование клиновидных зон разрушения по ее бокам; вторая стадия -смещение клиновидных зон в выработку и образование вертикального эллипса, в котором нарушены породы; третья стадия -смещение и обрушение пород из образовавшегося эллипса в выработку.
Ввиду отсутствия в литературе единой четкой картины нами проведены экспериментальные исследования на образцах. Исследования выполнены на трехосном прессе с использованием об-
разцов ископаемых углей и пород (аргиллитов) [5]. Ставилась задача - установить характер сдвижения и разрушения материала вокруг цилиндрической полости при различных соотношениях диаметра полости и мощности пласта, а также характер изменения его механических характеристик. В экспериментах отношение размеров образца, моделирующего мощность пласта, к диаметру отверстия, моделирующего скважину, изменялось от 5 до 14.
По программе нагружения (сжатия) на трехосном прессе воспроизводились нагрузки, которые испытывает изучаемый элементарный объем горного массива на заданной глубине [6].
На первой стадии создавалось равномерное трехосное сжатие, соответствующее давлению в ненарушенном (нетронутом) горном массиве, которое является начальным горным давлением на глубине 800 - 1000 м. Схема нагружения 01 = 02 = 03 = уН = 2025 МПа. Затем при жестко фиксированных боковых плитах (стенках) камеры сжатия, запрещающих горизонтальные деформации, продолжалось сжатие по оси 01 вплоть до разрушения образца. При этом измерялись давление 01 и относительная деформация £1 по указанной оси сжатия. Таким образом, моделировалось напряженно-деформированное состояние массива в зоне опорного (повышенного) давления (01 = куН) при коэффициенте концентрации напряжений к = 2 - 3. После извлечения образцов из камеры сжатия и осмотра установлено, что при равномерном трехосном сжатии (01 = 02 = 03 = 20-25 МПа) устойчивость стенок полости круглого сечения сохраняется. Разрушение их происходит на второй стадии сжатия по оси 01 при фиксированных боковых стенках камеры.
Результаты исследования и их обсуждение. На рисунке 1 видно, что относительные деформации в образцах с отверстием й = 6 мм и без отверстия существенно не отличаются по величине. Поэтому, величину отношения размера образца, имитирующего мощность пласта к диаметру полости, имитирующей
скважину (й), — = 9, можно считать бесконечно большой, при кой
торой граничные эффекты не наблюдаются.
При наличии полости диаметром 12 мм (рис. 1), деформация £1 образца с увеличением давления 01 нелинейно возрастает с замедлением (по компрессионной кривой). Это свидетельствует об уплотнении образца (на графике участок аЬ).
с полос d=12 mi ТЬЮ - ' 1 (m/d=5)
А
/ш / d=f )ЛОСТЬЮ мм (m/d=9)
d с, образц! без пол эсти
b /с
а
° 0 20 40 60 80 100 120 140
Давление, ст-^МПа
Участки: аЬ - уплотнение; Ьс - разрушение контура; сdе - разрушение горизонтального и вертикального эллипсов; е/- вторичное уплотнение
Рис. 1 - Деформация и стадии разрушения образцов угля с полостью круглого сечения
После разрушения стенок полости по контуру ее сечения интенсивность роста £1 повышается (отрезок Ьс). Разрушение материала внутри горизонтального, а затем вертикального эллипсов еще более повышает интенсивность роста £1 (участки cd и de). В дальнейшем деформация £1 снова замедляется в результате повторного уплотнения образца (участок е/).
Модуль объемного сжатия К1 = (где е = £1 + £2 + £3) бое
лее чувствителен к процессам, происходящим в хрупкой среде вблизи полости. Если в образце диаметр отверстия d = 6 мм (
т \ тг "
— = 9), то рост модуля сжатия К1 идет прямолинейно и отражает й
уплотнение материала. Дальнейшее увеличение 01 приводит к разрушению стенок полости и угол наклона прямой уменьшается, т. е. плотность и жесткость образца снижаются.
При наличии полости диаметром й = 12 мм (т = 5) происхо-
й
дят сложные изменения модуля К1. На рис. 2 линейный участок Оа отражает уплотнение и повышение жесткости образца, нелинейные участки аЬ, Ьс и ей связаны с разрушением породы (угля) соответственно на контуре полости, в горизонтальном и вертикальном эллипсах.
Участок йе (линейный рост К1) отражает вторичное уплотнение и повышение жесткости образца.
Исследовано влияние анизотропии, обусловленной слоистостью и системами трещин, на характер разрушения пород и угля вокруг полости круглого сечения.
340 го 300
260
5 220
Й
° 180
о и
0
1 140
£
IQ
2 100
I
ч о
60 20
образц бе-i noj >i ости \
ч
полость
S d =6мм (11
с полос е тью
с d d=12MR [ (m/d=5
—
0 20 40 60 80 100 120 140
Давление, атМПа
Участки: Оа - уплотнение; аЬ - разрушение контура; Ьс - разрушение горизонтального эллипса; ей - разрушение вертикального эллипса; йе - вторичное уплотнение
Рис. 2 - Изменение модуля объемного сжатия К1 в образцах угля с полостью круглого сечения
На рис. 3-5 показаны схемы образования зон разрушения при различных значениях угла залегания. По ним видно, что наименьшие размеры области характерны для случаев с горизонтальной ориентацией слоев (и плоскостей ослабления), наибольшие - при вертикальной, т.е. по линии действия 01. Диагональной ориентации свойственны промежуточные значения с отклонением большой оси эллипса от вертикали на 10-15°.
С точки зрения направленности настоящего исследования принципиальное значение имеют два обстоятельства: во-первых, при всех вариантах образующаяся зона разрушений принимает устойчивую форму эллипса, а во-вторых, геометрические параметры эллипса характеризуются соотношением а/Ь = 1,33 - 1,42.
Оба эти обстоятельства могут быть приняты в дальнейшем в качестве исходных при выборе и последующей оптимизации геометрической формы и параметров новых крепей [7].
Рис. 3 - Характер разрушения угля (пород) вокруг полости круглого сечения при объемном сжатии кубических образцов с горизонтальным расположением слоев и плоскостей ослабления (систем кливажных трещин)
Рис. 4 - Характер разрушения угля (пород) вокруг полости круглого сечения при объемном сжатии кубических образцов с диагональным расположением слоев и плоскостей ослабления (систем кливажных трещин)
Рис. 5 - Характер разрушения угля (пород) вокруг полости круглого сечения при объемном сжатии кубических образцов с вертикальным расположением слоев и плоскостей ослабления (систем кливажных трещин)
Заключение. В результате можно сделать следующие выводы.
Разрушение пород около выработок (скважин) круглого сечения происходит в три стадии:
- разрушение тонкого слоя по контуру полости;
- образование горизонтального эллипса и смещение заключенного в нем разрушенного материала в полость;
- образование вертикального эллипса и заполнение полости разрушенным материалом.
При величине отношения мощности пласта к диаметру скважины т = 9 обеспечивается устойчивость стенок скважины. Это
относится к бурению скважин в ненарушенных угольных пластах и породных слоях.
Если величина отношения составляет т = 5, то уголь и слабые породы (типа аргиллитов) могут интенсивно разрушаться вблизи полости круглого сечения.
Наибольшая устойчивость стенок полости достигается при горизонтальном расположении слоев.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700021-4-2.7.1;2.7.5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Баклашов, И. В. Деформирование и разрушение породных массивов [Текст] / И. В. Баклашов. - Москва: Недра, 1988. -273 с.
2. Динник, А. Н. Статьи по горному делу [Текст] /
A. Н. Динник. - М.: Углетехиздат, 1957. - 195 с.
3. Кацауров, И. Н. Горное давление [Текст] / И. Н. Кацау-ров. - М.: МГИ. - Вып.11. - 1972. - 263 с.
4. Газиев, Э. Г. Механика скальных пород в строительстве [Текст] / Э. Г. Газиев. - М.: Стройиздат, 1973. - 177 с.
5. Алексеев, А. Д. Предельное состояние горных пород [Текст] / А. Д. Алексеев, Н.В. Недодаев. - Киев: Наукова думка, 1982. - 200 с.
6. Алексеев, А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений [Текст] / А. Д. Алексеев,
B. Н. Ревва, Н. А. Рязанцев. - Киев: Наукова думка, 1989. - 168 с.
7. Гайко, Г. И. Проблемы оптимального проектирования крепи горных выработок [Текст] / Г.И. Гайко // Сб.научн.тр. / НГАУ. - Днепропетровск: РНК НГАУ. - 1988. - № 3. - Т. 3.-С.122 - 126.
Ревва Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор ведущий научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Васютина Виктория Владимировна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
INVESTIGATION OF THE DESTRUCTION OF COAL AND WEAK MUDSTONES IN SAMPLES WITH CAVITIES IN RELATION TO MINE WORKINGS AND WELLS
The article presents physical modeling of the destruction of coal and weak mud-stones on samples with cavities in relation to mines and wells.
Keywords: rocks, fracture, coal destruction, plastic zone, weak mudstones, physical modeling.
Revva Vladimir Nikolajevich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher. at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Vasyutina Victoria Vladimirovna, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
