CC BY
13
УДК 550.34+622.831
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СОЛЯНОЙ ТОЛЩЕ ПОРОД МЕТОДОМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
Василий Дмитриевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 116, e-mail: vbar@misd.nsc.ru
Дмитрий Васильевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, e-mail: vbar@misd.nsc.ru
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, е-mail: gahoval@mail.ru
Приведены результаты экспериментально-аналитической оценки напряженно-деформированного состояния соляной толщи пород в окрестности горной выработок. Установлено упругое деформирование массива при кратковременном нагружении, что позволяет использовать метод параллельных скважин в условиях образования пластической зоны вблизи контура выработки.
Ключевые слова: математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, пластические зоны.
ON STRESS EVALUATION IN SALT ROCK THICKNESS BY PARALLEL BOREHOLE METHOD
Vasily D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 116, e-mail: vbar@misd.nsc.ru
Dmitry V. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, e-mail: vbar@misd.nsc.ru
Lidiya N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, е-mail: gahoval@mail.ru
Results of experimental-analytical evaluation of the stress-strain state in salt rock thickness in the vicinity of mine workings are reported. The elastic deformation of a rock mass under short-term load is established, thus making it possible to implement the parallel borehole method under conditions of plastic zone formation in the periphery of mine working.
Key words: mathematical simulation, stress-strain state, plastic zone.
Природной напряженное состояние породного массива является основным силовым фактором при оценке устойчивости горных выработок и параметров систем разработки месторождений. При проведении горной выработки в её окрестности возникают концентрации напряжений, превышающих напряжения нетронутого массива. При высоком горном давлении, сопоставимом или превышающем прочность массива, в окрестности выработок образуются характерные зоны деформирования - упругая зона, зоны неполной и полной пластичности. Надежная оценка характера деформирования в приконтурной зоне может быть получена с использованием экспериментальных методов.
После завершения открытых работ до глубины карьера 525 м на руднике «Мир» АК «АЛРОСА» приступили к выемке подкарьерных запасов. Проектом института «Якутнипроалмаз» подземная отработка запасов осуществляется с применением слоевой системы с твердеющей закладкой под защитой предохранительного целика под водным объектом в карьере. Вмещающие породы на глубинах 550 - 700 м представлены соляной толщей с незначительными по мощности прослойками карбонатных пород.
Для оценки возможности использования метода параллельных скважин при определении напряженно-деформированного состояния (НДС) в окрестности капитальных горных выработок проведен начальный цикл экспериментальных исследований с применением разработанных в ИГД СО РАН программно-технических средств
На рис. 1 приведена схема расположения замерной станции в сбойке N1 на гор.-310 м.
Разработанный в ИГД СО РАН метод параллельных скважин [2] заключается в бурении измерительной скважины с устройством в ней многокомпонентного дефор-мометра. После стабилизации показаний деформометра возмущение исходного напряженного состояния в окрестности измерительной скважины осуществляется путем выбуривания параллельной ей возмущающей скважины. О величинах напряжений судят по регистрируемым радиальным смещениям, вызванным бурением возмущающей скважины, а о деформационных свойствах массива на участке измерений -по изменению показаний деформометра при последующем нагружении возмущающей скважины. Правомерность использования упругой расчетной модели поведения
[1].
Вид А
Рис. 1. Схема измерений в сбойке 1 на гор. -310 м
массива для определения величин напряжении оценивается по результатам реакции массива при нагружении контура возмущающей скважины.
На рис. 2 представлены графики радиальных смещений контура измерительной скважины при ступенчатом нагружении возмущающей скважины по двум опытам на глубинах установки деформометра 0,35 и 1,65 м. Результаты оценки деформационных свойств соляного массива приведены в табл. 1. Анализ экспериментальных данных
при определении упругого модуля ент Пуассона) показал следующее.
¡5 (где Е - модуль Юнга, V - коэффици-
Рис. 2. Радиальные смещения контура скважины при определении модуля ^ на глубинах установки деформометра 0, 35 (а) и 1,65 м (б). ^ мкм - смещение балок
по направлениям
Таблица 1
Деформационные свойства солевого массива на участках измерения напряжений
Глубина измерения, м N опыта Величина нагрузки, МПа Ветвь наг )узки Ветвь разгрузки
^ (*), ГПа Е** (*), ГПа Е**
0.35 1 2 6.4 10.2 4.2 (3.8 -3.8 (з.5 - 4. 4. 15.3 13.8 4.2 (3.8 -3.9 (3.6 - - 4.6) - 4.2) 15.3 14.2
0.98 1 2 10.2 10.2 4.2 (3.8 -4.0 (3.7 - 'О' ^ 4. 4. 15.3 14.6 3.9 (3.6 -3.8 (3.6 - .2) .2) 4. 4. 14.2 13.8
1.65 1 2 10.2 10.2 4.3 (3.7 - 4.4 (3.8 - с. 5. 5. 15.7 16.0 4.7 (4.1 -4.6 (4.0 - .4) .4) 5. 5. 17.1 16.7
(*) - 90% доверительный интервал; ** - ^ 3.6 ПрИ г 0.3
• Результаты определения упругого модуля при нагружении возмущающей скважины свидетельствуют о корректности использования упругой, однородной и изотропной модели при пересчете деформаций контура измерительной скважины в величины напряжений на всех участках установки деформометра. Об упругость массива свидетельствует линейная зависимость деформаций от нагрузок без значительных остаточных смещений; об однородность массива без нарушения его сплошности - отсутствие нарушений контура скважины, об изотропности - хорошее
С
согласование значении модуля "ж по всем измерительным направлениям
деформометра, а также по трем нагружениям на глубинах измерений при
максимальном 90% доверительном интервале, 30% от значения ^зе при среднеквадратическом отклонении не более 7% (см. рис.2, табл.1).
• Результаты расчета по величине ^эе модуля упругости ^ = 13,8 — 17Д ГПа (табл.1) при у = хорошо согласуются с его оценкой по образцам горных пород для соли Чарской свиты
(14,6- 19,6 ГПа)
приведенной в работе [4]. В табл. 2 и на рис. 3 приведены результаты расчета компонент и величин квазиглавных напряжений на участках измерений (азимут 310° СЗ).
Таблица 2
Глубина измерения, м Компоненты напряжений, МПа Главные напряжения, МПа Угол между горизонтом и О2, град.
* (*) Ог (*) Тег (*) О! О2
0.35 -4.4 (0.6) -9.7 (1.9) -0.1 (0.3) -4.4 -9.7 -2**
0.98 -5.0 (0.1) -16.6(0.2) -0.2 (0.0) -5.0 -16.6 -1**
1.65 -5.3 (0.2) -17.8 (0.8) -0.5 (0.1) -5.3 -17.8 -2**
(*) - среднее квадратичное отклонение; ** против часовой стрелки
угол откладывается от горизонта
Рис.3. Направления действия и величины (МПа) квазиглавных напряжений
в вертикальном сечении
Для сравнительного анализа полученных оценок НДС массива определим вертикальную составляющую напряжений из выражения: ^в где У - объемный вес
пород, Н - глубина налегающей толщи. При средней объемной массе вмещающих пород 2,61 т/м3 [5] вертикальное напряжение нетронутого массива составит:
. Предел прочности соли на одноосное сжатие по кернам составляет в среднем 24,7 МПа [5].
Для реальной геометрии сбойки N1 коэффициенты концентрации вертикальных напряжений составили на глубинах 0,35 и 1,65 м соответственно 1,61 и 1,45. В табл.3 приведены величины вертикальной компоненты напряжений по створу измерительной скважины от контура выработки, определенные с учетом коэффициентов концен-
Р
трации, рассчитанных по упругой модели в окрестности выработки (°в), и данные
натурных измерений (°в ). Сравнение расчетных данных и данных натурных измерений свидетельствует о значительном их расхождении.
Таблица 3
Глубина, м 0.35 0.98 1.65
< МПа -27.5 -27.4 24.8
< МПа -4.4 -5.0 -5.3
Заключение
1. Метод параллельных скважин и разработанные программно-технические средства его реализации позволяют определять НДС в окрестности горных выработок в соляном массиве.
2. Полученные оценки деформационных свойств соляного массива свидетельствуют о линейной зависимости радиальных смещений контура измерительной скважины при кратковременном нагружении возмущающей скважины, а полученные величины модуля упругости сопоставимы с данными лабораторных испытаний керна.
3. Результаты определения действующих напряжений в окрестности сбойки N1 показали наличие пластической зоны, границу которой можно оценить по данным измерений на глубинах, сопоставимых с размерами выработки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барышников В.Д., Качальский В.Г. Автоматизированный измерительный комплекс приборов для определения напряжений в массиве горных пород методом параллельных скважин // ФТПРПИ. -2010. -№3.
2. Барышников В.Д., Барышников Д.В. К вопросу инструментальной оценки напряжений в бетонном массиве. -Албена. -2015.
3. Коврижных А.М., Серяков В.М., Коврижных С.А. Расчет необратимых деформаций и фронта разрушения на основе сдвиговой модели деформирования материала // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. -Новосибирск: ИГД СО РАН, 2014. -№1. -т.! - с. 135-140.
4. Константинова С.А., Н.П. Крамсков, В.А. Соловьев. Некоторые проблемы механики горных пород применительно к отработке алмазных месторождений Якутии / Новосибирск: Наука, - 2011.
5. Коноваленко В.Я. Справочник физико-механических свойств горных пород алмазных месторождений Якутии / АК «Алроса», ин-т «Якутнипроалмаз», -2012 г.
© В. Д. Барышников, Д. В. Барышников, Л. Н. Гахова, 2017
