CC BY
2УДК 622.236:539.375
В. Н. Ревва, А. В. Антипенко, Л. А. Камбурова
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЯ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД ПРИ ВОДОНАСЫЩЕНИИ
В статье приведены результаты исследований изменений физико-механических свойств горных пород и углей при их увлажнении. Экспериментальные исследования проводились на установке неравнокомпонентного трехосного сжатия (УНТС). Полученные данные изменения прочностных характеристик горных пород и углей при их увлажнении, в дальнейшем могут быть использованы для прогноза устойчивости горных выработок и их влияния на земную поверхность.
Ключевые слова: физико-механические свойства горных пород, УНТС, увлажнение образцов, деформация и усадка горных пород.
Введение. Процессы реструктуризации угольной промышленности неразрывно связаны с ликвидацией угледобывающих предприятий. В большинстве случаев проектами закрытия шахт предусмотрена их «мокрая» консервация, т.е. водоотлив из подземных выработок будет прекращен. Вследствие этого поднимается уровень шахтных вод и в подработанном горном массиве происходит кардинальное изменение сложившейся гидрогеологической и горнотехнической ситуации. Горнодобывающие предприятия зачастую, расположены в густонаселенных районах с большим количеством, как жилой, так и промышленной застройки [1]. Выработанное пространство шахт затапливается, горные породы размокают с потерей прочностных свойств, происходит самоликвидация сохранившихся, при сухой консервации, пустот (старых горных выработок), что приводит к активизации процессов сдвижения в породном массиве [2].
Физико-механические свойства углей и горных пород, особенно при их насыщении водой, изучены недостаточно. Не изучен процесс взаимодействия с горными породами шахтных вод, которые по химическому составу являются как щелочными, так и кислотными. В свою очередь, угли и горные породы сильно различаются по своему строению, минералогическому составу зерен и цемента, что весьма усложняет характер указанного выше взаимодействия [3].
Целью данного исследования является изучение изменения физико-механических свойств горных пород и углей при их увлажнении.
Материалы и методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на УНТС и по методике ИФГП НАНУ [4].
Основной особенностью данной методики является отображение (идентификация) условий нагружения испытываемых образцов тем, в которых находится условно выделенный элементарный объем породы (угля) внутри горного массива. Так, в непосредственной близости к открытой поверхности горной выработки породы (уголь) испытывают двухосное (плоское) сжатие. С удалением в глубь массива - трехосное неравномерное сжатие с постепенным увеличением бокового подпора со стороны открытой поверхности [5].
При изготовлении образцов для испытаний на трехосном прессе учитывались основные требования:
- образцы должны быть представительными, т.е. адекватно отражать литолого-минералогический состав и строение горного массива в исследуемой зоне;
- при выборе размеров образцов должно учитываться влияние масштабного эффекта. С учетом этих требований из кусков породы и угля на камнерезном станке вырезались образцы кубической формы с размерами сторон 55 мм.
Искусственное увлажнение образцов осуществлялось путем безнапорного насыщения на специальной установке. Обезвоживание образцов производилось в эксикаторе с гигроскопическим веществом при вакуумировании и термостатическом высушивании [6].
Далее представлены экспериментальные результаты (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние водонасыщения (2,5-3 %) на прочность и деформацию песчаников при одноосном сжатии
Кремнисто-слюдистый цемент Глинисто-слюдистый цемент Карбонатный цемент
Сухой Влажный Сухой Влажный Сухой Влажный
s, МПа s-10"4 s, МПа s-10"4 s, МПа s-10"4 s, МПа s-10"4 s, МПа s-10"4 s, МПа s-10"4
3,0 0,3 0,1 0,3 6,0 0,3 5,0 0,3 6,0 0,3 17,0 0,3
10,0 0,6 0,2 0,6 15,0 0,6 10,0 0,6 17,0 06 37,0 0,6
20,0 1,0 7,0 1,0 35,0 1,0 25,0 1,0 40,0 1,0 57,0 1,0
34,0 1,3 16,0 1,3 47,0 1,3 34,0 1,3 67,0 1,3 70,0 1,3
47,0 1,6 27,0 1,6 60,0 1,6 41,0 1,6 85,0 1,6 78,0 1,6
37,0 2,0 64,0 2,0 47,0 2,0 94,0 2,0 82,0 2,0
67,0 2,3 51,0 2,3 87,0 2,3
54,0 2,6 90,0 2,6
Из таблицы 1 следует, что после увлажнения (до 3 %) прочность на одноосное сжатие песчаников уменьшается в 1,3 раза, а относительная деформация увеличивается в 1,25 раза.
На рисунке 1 приведены графики изменения прочности на одноосное сжатие углей при увеличении их влажности Ж от 0,15 % до 3 %. Наглядно видно, что наиболее интенсивное снижение прочности происходит при повышении влажности до Ж = 2,0 %. Прочность углей марок «Ж», «К» и «Т» уменьшается в 2,8-3,5 раза.
В выработанном пространстве шахтного поля, где произведена выемка угольных пластов, произошло обрушение вмещающих пород, массив имеет различную степень структурных нарушений: от полного разрушения вблизи отработанного пласта до некоторого развития (увеличения) природной трещиноватости при сохранении монолитности на удалении в десятки метров от пласта. Это означает, что степень водонасыщения разрушенных (разрыхленных) и частично нарушенных пород будет различной
и связанное с нею изменение механических характеристик пород будет различным [7].
Влажность, %
-Марка "Ж"— - Марка "К"---Марка "Т"
Рис. 1 - Изменение прочности углей различных марок от их
влажности
Дополнительно были проведены исследования водонасы-щения и изменений механических характеристик горных пород на образцах, подготовленных по приведенным выше требованиям.
Образцы помещались в рабочую камеру трехосного пресса с независимым перемещением нажимных плит. Последние являются стенками рабочей (сжимающей) камеры. Затем помещенные в рабочую камеру ненарушенные образцы подвергались сжатию по следующей схеме: 01 > 02 = 03. В численном выражении напряжения (давления) имели следующие величины: о = Оразр, т.е. доводилось до предельной величины, вызывавшей разрушение образца; 02 = 03 = 2-20 МПа, эти давления изменялись ступенчато через 2 МПа.
После разрушения в закрытой камере образцы сохраняли свою форму и имели различную степень трещиноватости и структурного нарушения пород.
Подготовленные образцы оклеивались по всем шести гра-
С С С Т Т О
ням водонепроницаемой полиэтиленовой пленкой. На верхней
грани каждого образца оставлялось отверстие 0 5,0 мм и высверливался неглубокий желоб (лунка) глубиной 8-10 мм для впуска воды сверху в образец. При достижении полного водонасыщения образцы выдерживались еще в течение 7 суток. После этого проводились испытания в условиях трехосного сжатия для определения изменений механических характеристик в условиях объемного сжатия. Исследовались структурно нарушенные сухие и водо-насыщенные образцы.
На рисунке 2 представлены зависимости величины усадки структурно нарушенных аргиллитов (3 трещины на образец) слабых пород от величины бокового подпора (02 = 03), где кривая 1 соответствует сухим образцам, а - 2 - водонасыщенным. При этом О1=еош1 = 45 МПа.
10 -I--------------------
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
сг2=а-5
1 - сухие образцы; 2 - водонасыщенные образцы
Рис. 2 - Изменение величины усадки структурно нарушенных аргиллитов (3 трещины на образец) от бокового
подпора
На рисунке 3 представлены те же зависимости, но для случая структурной нарушенности - 8 трещин на образец, 01 =сош1 = 45 МПа.
Данные испытаний образцов пород показывают, что с увеличением структурной нарушенности и водонасыщенности пород увеличивается усадка приблизительно в 2,0-2,5 раза и снижается прочность в 2,0 раза. Эти цифры относятся к наиболее разрушен-
ным породам. Причем исходная трещиноватость (3 и 8 видимых трещин в образце) вносит значительно меньший вклад в усадку пород, чем водонасыщение.
10----_--————4--J------
0 2 4 8 8 10 12 14 16 18 20
1 - сухие образцы; 2 - водонасыщенные образцы
Рис. 3 - Изменение величины усадки структурно нарушенных аргиллитов (8 трещин на образец) от уровня
бокового подпора
На рисунке 4 представлены зависимости прочности аргиллитов от количества трещин в образце.
45
01 2345678
Количество трещин в образце, шт.
1 - сухие образцы; 2 - водонасыщенные образцы
Рис. 4 - Зависимость прочности аргиллитов от количества
трещин в образце
Ввиду того, что в выработанном пространстве могут быть оставлены угольные целики больших размеров (охранные целики, бросовые участки пластов и др.), возникает вопрос об их влиянии на напряженно-деформированное состояние и сдвижение горного массива после затопления горных выработок и выработанного пространства [8].
Для выяснения изменений физико-механических свойств угля с увеличением его влажности были выполнены работы по изготовлению, увлажнению и испытанию образцов угля марки Т на трехосном прессе. При этом создавалось приближенно равномерное давление по трем осям 01-02-03, которое изменялось в пределах 0-53 МПа для разных образцов. Результаты испытаний и измерений приведены в таблице, где Ж - влажность образцов; 01, 02, 03 - напряжения по каждой оси сжатия; 81, 82, £3 - относительные деформации по каждой оси сжатия. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Исследование влияния влажности на деформации и напряжения в угольных образцах
W = 0,8% (вес.) W = 2,2% (вес.) W = 3,0% (вес.)
адсорбированная адсорбированная адсорбированная
1/3(01+02+03) МПа 1/3(81+82+ +8э)-10"3 1/3(01+02+ +03) МПа 1/3(81+82+ +83)-10"3 1/3(01+02+03) МПа 1/3(81+82 +83)-10"3
0 0 0 0 0
6 3 3 3 2 3
18 6 6 6 3 6
42 (разруш.) 9 10 9 4 9
42 12 15 12 6 12
42,5 15 22 15 8 15
43 18 30 18 12 18
44 21 36 (разруш.) 21 14 21
46 24 36 24 16 24
49 27 38 27 18 27
53 30 40 30 21 (разруш.) 30
При минимальной влажности (0,8 %) разрушение образцов наступает при среднем напряжении 0ср = 42 МПа и небольшой
величине относительной деформации сжатия (усадке) вор = 910-3. Дальнейшее сжатие приводит к росту напряжений до Оср = 53 МПа, а относительная деформация сжатия достигает вср = 3010-3. Таким образом, целик угля, имеющий небольшую (естественную) влажность, в результате всестороннего сжатия может представлять довольно жесткую опору для налегающей толщи пород и препятствовать ее смещению вниз.
При максимальной влажности (3 %) такая же величина относительной деформации сжатия (усадки) вср = 3010-3 достигается при гораздо меньших напряжениях, т.е. Оср = 21 МПа. В этом случае целик представляет более податливую опору за счет внутреннего скольжения частиц и микроблоков и уплотнения угля в нем.
Исследовано влияние бокового подпора на прирост объема образцов пород за счет внутреннего разрыхления в условиях неравномерного объемного сжатия. Нагружение образцов производилось по схеме Кармана [9] (oi > 02 = 03); боковой подпор 03 изменялся от 5 МПа до 20 МПа с интервалом 5 МПа, а напряжение oi доводилось до величины разрушающего (Оразр). В процессе нагружения измерялись абсолютные деформации по трем осям, затем вычислялись относительные в1, в2, в3. Следует отметить, что деформация сжатия ei всегда имела один знак «минус», т.е. отражала уменьшение размера образца по оси сжатия 1-1. А боковые деформации имели знак «плюс» и отражали увеличение размеров образца по осям 2-2 и 3-3. Объемная относительная деформация ev вычислялась: ev = A V/V = в1 + в2 + в3.
Результаты измерений и вычислений представлены на рисунке 5, где 03/01 - отношение величины горизонтальных напряжений (бокового подпора) к вертикальному сжимающему напряжению.
Из графической зависимости следует, что интенсивный прирост объема породы происходит при величине отношения 03/01 = 0,15-0,25. В этих условиях неравномерного сжатия больше всего происходит внутреннее разуплотнение (разрыхление) породы. При 03/01 < 0,15 сжатие приближается к одноосному, и разрушение наступает без особого ее измельчения. А при 03/01 >
0,25-0,30 боковой подпор настолько велик, что внутреннее разрыхление породы невозможно.
2,50
0,00 -г—---------------------
0,00 0,05 0.10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
<7/<?Г
Рис. 5 - Зависимость объемной деформации А V/ V от соотношения 03/01 для образцов аргиллитов
Неравномерное объемное сжатие при 03/01 = 0,15-0,25 имеет место в зонах опорного давления, повышенного горного давления (ПГД), в местах перегибов пластов и др. В таких зонах горный массив, как правило, нарушен, перемят и при удалении бокового подпора легко разрушается и размокает. Это должно учитываться при определении сдвижения горного массива в затопленных шахтных полях [10].
Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
Водонасыщение существенно уменьшают трещиностой-кость горных пород, снижая сопротивляемость развитию в породе трещин почти на порядок (до 8 раз).
Для песчаников и углей при водонасыщении в условиях объемного нагружения происходит уменьшение модулей деформации и сдвига, увеличение коэффициента поперечной деформации, т. е. происходит их пластифицирование, уменьшение энергии деформирования и реализуется сдвиговой механизм разрушения.
В угольном пласте наибольшее влияние на физико-механические свойства углей водонасыщение оказывает в зоне предельного состояния.
При затоплении угольных шахт, существенные изменения физико-механических свойств углей и горных пород в условиях поля сжимающих напряжений могут привести к потере устойчивости горного массива и активизации процессов сдвижения земной поверхности над горными выработками.
Полученные данные изменения прочностных характеристик горных пород и углей при их увлажнении, в дальнейшем могут быть использованы для прогноза устойчивости горных выработок и их влияния на земную поверхность.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы FRSR - 2023 - 0006 "Исследование устойчивости и трансформации напряженно-деформированного состояния обводненных массивов горных пород".
ЛИТЕРАТУРА
1. Славиковская, Ю. О. Техногенные пустоты недр как фактор негативного воздействия на окружающую среду при разработке месторождений твердых полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 2. -С. 33-44.
2. Славиковская, Ю. О. Техногенные пустоты недр как источник негативного воздействия на окружающую среду предприятий горнопромышленного комплекса // Экологическая и техно-сферная безопасность горнопромышленных регионов. - труды VIII Международной конференции. Екатеринбург, 07 апреля 2020 г. - Издательство: Уральский государственный горный университет (Екатеринбург). - С. 275-279.
3. Постоев, Г. П. Модели механизма формирования и расчета параметров провалов земной поверхности над подземными полостями / Г. П. Постоев // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2020. - № 4. - С. 36-47.
4. Алексеев, А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений / А. Д. Алексеев, В. Н. Ревва, Н. А. Рязанцев. - К: Наукова думка, 1989. - 168 с.
5. Ревва, В. Н. Разрушение водонасыщенного угля при различных видах деформационного состояния / В. Н. Ревва, А. В. Молодецкий, В. В. Завражин, Д. С. Кодберг // Геотехническая механика. - Днепропетровск. - 2010. - № 89. - С. 152-156.
6. Alexeev, A. D. Stress state effect on the mechanical of coals under true triaxial Compression Conditions / A. D. Alexeev, V. N. Revva, A. V. Molodetski // True Triaxial Testing of Rocks. -Geomechanics Series Volume 4. - 2011. - P. 291-291.
7. Хохлов, Б. В. К вопросу сдвижения и деформирования обводненного горного массива в современных условиях ведения горных работ / Б. В. Хохлов, М. Д. Рожко, Л. А. Камбурова, Л. Н. Крижановская // Труды РАНИМИ: сб.науч.тр. - Донецк, 2023. - № 22 (37). - С. 65-71.
8. Дрибан, В. А. Влияние обводненности массива горных пород на НДС при подземной разработке угольных пластов в пространственной постановке задачи / В. А. Дрибан, А. Г. Петрушин // Труды РАНИМИ: сб.науч.тр. - Донецк, 2022. -№ 18-19 (33-34). - С. 39-81.
9. Lavrov, A. The Kaiser effect in rocks principles and stress estimation techniques / A. Lavrov // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geo-mech. - 2003. - V. 40. - P. 151-171.
10. Бондаренко, Е. С. Гидрогеологические проблемы закрытия угольных шахт / Е. С. Бондаренко, В. Г. Ефимов // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. - Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2020. - С. 82-84.
Ревва Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор ведущий научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Антипенко Антон Викторович, младший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Камбурова Лариса Алексеевна, научный сотрудник отдела гидрогеомеха-нических исследований и охраны недр, ФГБНУ "РАНИМИ", Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
CHANGES IN PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF COAL AND HOLDING ROCKS DURING WATER SATURATION
The article presents the results of research of changes in the physical and mechanical properties of rocks and coals when they are moistened. Experimental research was carried out on an unequal triaxial compression (UNTS) installation. The obtained data on changes in the strength characteristics of rocks and coals when they are moistened can later be used to predict the stability of mine workings and their impact on the earth's surface.
Keywords: physical and mechanical properties of rocks, UNTS, sample moistening, deformation and shrinkage of rocks.
Revva Vladimir Nikolaevich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Antypenko Anton Victorovich, Junior Researcher at the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Kamburova Larisa Alekseevna, Researcher at the Department of Hydrogeome-chanical Research and Protection, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
