CC BY
36
1. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива горных пород. - К.: Наукова думка, 1989. -192 с.
2. Насонов ИД, Ресин В.И. Моделирование физических процессов в горном деле. - М.: изд. Академии горных наук, 1999. - 343 с.
3. Кошелев К.В, Игнатович Н.В, Полтавец В.И. Поддержание сопряжений горных выработок. - К.: Техника, 1991. - 176 с.
4. Солодянкин А.В. Повышение устойчивости выемочных штреков // Проблемы создания новых машин и технологий. Науч. тр. КГПУ. - Кременчуг. - 2000. - Вып. 2 (9). -С. 527-529.
5. Тимофеев О.В. Методика расчета параметров штанговой крепи при упруго-пластическом деформировании массива пород // Устойчивость и крепление горных выработок. - Л.: ЛГИ, 1976, №3. - С. 30-34.
6. Костогрыз В.И. Эффективность упрочнения пластичных пород анкерованием // Науковий вісник НГА України. - 1998. - №3. - С. 13-15.
7. Широков А.П, Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. - М.: Недра, 1976. - 208 с.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Кошелев К.В, Петренко И.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок. - М.: Недра, 1990. - 218 с.
9. Глушко В.Т. Проявление горного давления в глубоких шахтах, - К.: Наукова думка, 1971. - 195 с.
10. Инструкция по применению и проектированию комбинированной анкер-металлической крепи конструкции КузНИИшахтостроя (АМК) / КузНИИшахтострой. Кемерово, 1982.
11. Выгодин М.А. Обоснование параметров армопо-родных грузонесущих конструкций на базе рамноанкерных крепей и технология их сооружения в выработках шахт Западного Донбасса. Дисс....канд. техн. наук. -Днепропетровск, 1990. - 139 с.
12. Байкенжин М.А. Разработка способа поддержания пластовых подготовительных выработок глубоких горизонтов шахт податливой рамно-анкерной крепью: Автореф. дисс....канд. техн. наук. - Алма-Ата, 1987. - 18 с.
13. Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок. - М.: Недра, 1974. - 207 с.
14. Сажин В.С. Упругопластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. - М. Наука, 1968. - 93 с.
КОРОТКО ОБ AB^PAX
Терещук Р.Н., Єолодянкин A.B. - Национальная горная академия Украины.
© C.B. Мартыненко, B.H. Коваленко,
B.Ф. Панибратченко, 2003
УАК 622.131.537:550.89
C.B. Мартыненко, B.H. Коваленко,
B.Ф. Панибратченко
HОBЫE CОCTABЫ ЭКBИBAЛEHTHЫX МATEPИAЛОB АЛЯ ПОBЫШEHИЯ ICA4ECTBA КОМПЛEКCHЫX HAy4HblX ИCCЛEАОBAHИЙ
1кЖзвестно, одним из основных компонентов любо-■э^омплексного научного исследования являются ёабораторные эксперименты. В механике горных пород, изучающей, как правило, объекты весьма больших размеров, применяют моделирование, связанное с уменьшением абсолютных размеров объектов.
В силу ряда причин, особое распространение при исследовании геомеханических процессов в настоящее время получил наиболее освоенный метод моделирования на эквивалентных материалах (ЭМ), сущность которого заключается в том, что модель породного массива, содержащего выработку, создает-
ся из искусственных материалов, прочность и модуль деформации которых уменьшены в определенной пропорции по отношению к таким же натурным величинам. Эта пропорциональность устанавливается в соответствии с принятым масштабом. Напряженное состояние в моделируемом породном массиве для конкретных условий создается, в основном, за счет соответствующей пригрузки.
Специальный плоский стенд, позволяющий создавать нагрузку, распределенную по контуру выработки, смонтирован в лаборатории моделирования и конструкционных материалов Национальной горной академии Украины. Габаритные размеры стенда следующие: длина - 2900 мм; ширина - 1400 мм; высота - 2070 мм. Схема системы рычажного нагружения модели представлена следующими сборочными единицами: опорными платформами; основной и дополнительной рычажной системами; грузовой тягой с платформой; набором тарированных грузов от 0,5 до 20 кг (рис. 1) Плечи основного рычага имеют следующие размеры: 001 =
Таблица 1
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОЛ
Тип пород Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Объемная масса, у, т/м3 Модуль упругости, Е *10-4, МПа Коэффициент Пуассона
Аргиллит п о сч со сч сч сч <5 0,21.0,25
Алевролит со 0 0 сч сч сч, сч <5 0,2.0,26
Песчаник 6 о 7 о о, ІЛ о, сч ІЛ сч~ 14 Т-Н 0,21
Известняк о т-н о оо ІЛ сч ІЛ сч~ 2,5...3,5 0,21
Таблица 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Характеристика материала Состав №1 Состав №2 Состав №3 Состав №4
натуры (аргил- лит) модель натуры (алевро- лит) модель натуры (песча- ник) модель натуры (извест- няк) модель
Предел прочности на сжатие, МПа Модуль упругости, МПа Объемная масса, т/м3 Коеффициент Пуассона 30 0,8-104 2,5 0,23 0,2.0,22 0,0115-104 1,6...2,0 0,23 40 0,9-104 2,5 0,23 0,23.0,28 0,013-104 1,6...2,0 0,23 65 1,5-104 2,6 0,21 0,42.0,46 0,0207-104 1,6...2,0 0,21 100 3,22-104 2,6 0,21 0,6.,07 0,0421-104 1,6...2,0 0,21
220 мм, 0102 = 1320 мм, следовательно, передаточное число основной рычажной системы равно п0 = 7. Плечи дополнительного рычага, соответственно, ДД1 = 200 мм, Д1Д2 = 800 мм, передаточное число пд = 5. Таким образом, передаточное число всей системы нагружения модели равно N = п0пд = 35.
Теоретические основы метода разработаны в работах [1, 2 и др.], однако на практике перед исследователями всегда стоит задача правильного подбора состава ЭМ, лабораторный подбор и испытание которого направлены в сторону изыскания удобообра-батываемых смесей, не обладающих длительными сроками схватывания и твердения, обеспечивающими при этом по своим физико-механическим свойствам подобие с горными породами.
В настоящее время механические свойства углевмещающих пород Донецкого бассейна изучены и исследованы достаточно полно и представлены в довольно широком диапазоне, поэтому воспроизвести разнообразие свойств на каком-либо одном материале не представляется возможным.
Продолжительное время при подобных исследованиях применяли “одноразовые” модели, где в качестве вяжущего использовали гипс, известь-кипелку и др. Недостаток такого подхода очевиден -после испытания модель приходила в негодность и должна была заменяться новой.
Другой путь - изготовление многоразовых смесей, какими являются, в частности, парафинированные. К положительным особенностям таких смесей относятся однородность физико-механических свойств эквивалентного материала, неизменность и независимость механических свойств материала от влажности и удобство укатки слоев в модели, благодаря высоким пластическим свойствам смеси в горячем состоянии. Наиболее успешным и выгодным
Рис. 1. Схема системы нагружения стенда для моделирования
вариантом в этом случае является песчано-парафино-графитовые смеси с добавлением технического вазелина [3].
Однако при помощи смеси одного состава можно получить лишь однородную модель, реальный же породный массив весьма неоднороден, что ставит задачу соответствия свойств ЭМ свойствам конкретной горной породы. Помимо этого принятый к испытанию конкретный ЭМ должен соответствовать и следующим общим требованиям [4]:
- количественного подобия физико-
механических характеристик материалов модели и натуры;
- качественного соответствия характера деформирования и разрушения материалов модели и натуры;
- технологического характера, обуславливающего возможность быстрого и качественного изготовления ЭМ;
- структурной прочностной и деформационной однородности ЭМ по всему объему модели;
- стабильности, т.е. неизменности во времени свойств готового материала и их независимости от условий окружающей среды.
Компоненты ЭМ должны быть доступными и дешевыми.
Так как с помощью парафинированной смеси полного подобия всех физико-механических харак-
Рис. 2. Зависимость «нагрузка-
деформация» для различных составов ЭМ: состав №1 (песок - 95,9%, парафин - 2,9%, графит - 0,7%, солидол -0,5%) - аргиллиты; состав №2
(94,8:4:0,7:0,5) - алевролиты; состав №3 (92,3:6,4:0,8:0,5) - песчаники; состав №4 (86,6:12:0,9:0,5) -известняки
теристик ЭМ и горных пород натуры достигнуть трудно, то допускаем сокращение числа соблюдаемых условий подобия. В качестве определяющих характеристик прочности используем совокупность значений временного сопротивления пород на сжатие Ксж и растяжение Кр .
Для соблюдения подобия механических процессов в массиве горных пород в области пластических деформаций во всем диапазоне напряжений от начальных до разрушающих, без учета влияния времени, соблюдаем следующее условие
При этом
(єу +Єп )= f (а)
где 8п и 8у - пластическая и упругая
относительные деформации, соответственно.
Технология подготовки и испытания образцов заключается в следующем: речной песок, одно-ный и очищенный от различных включений, ческий вазелин, парафин и графит тщательно шивали в определенных расчетных пропорциях. готовленную смесь помещали в водяную баню, мешивали до получения однородной массы, после
чего из нее изготовляли цилиндрические образцы сечением 21,1 см2 и высотой 74 мм.
Определение предела прочности при сжатии, модуля упругости и коэффициента Пуассона производили с помощью малогабаритного пресса, позволяющего регистрировать нагрузку и соответствующие ей деформации на образцах. Кроме того, для соблюдения максимального подобия и приближения свойств материала образца к свойствам материала модели, непосредственно из слоев модели выпиливали образцы и также испытывали, получая достаточно близкое сходство физико-механических свойств в основной модели и образцах.
Всего было исследовано 24 различных состава ЭМ; для каждого проведено по 6 серий испытаний. В результате выделены 4 состава, которые по своим физико-механическим параметрам наиболее полно воспроизводят свойства горных пород, для которых в дальнейшем предполагается проводить моделирование (табл. 1 и 2).
По полученным экспериментальным данным построены графики деформирования ЭМ (рис. 2).
Таким образом, наличие ЭМ с указанными свойствами расширяет круг задач, решаемых методом моделирования, повышает качество научных исследований, дает возможность получить значительно больше информации о состоянии массива в окрестности горных выработок, что позволит поставить на более высокий технический уровень технику моделирования применительно к задачам горного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов Г.Н. Эксперименталь-
ные методы исследования вопросов горного давления // Тр. совещания по управлению горным давлением. - М.: Углетехиз-дат, 1948. - 221 с.
2. Ильштейн А.М. Закономерности проявления горного давления - М.: Угле-техиздат, 1958. - 272 с.
3. Шашенко А.Н. Устойчивость подземных выработок в неоднородном по-
родном массиве. Дисс....докт. техн. наук 05.15.04. - Днепропетровск, 1988. - 507 с. Насонов И.Д., Ресин В.И. Моделирование физических процессов в горном деле. - М.: изд. АГН, 1999. - 343 с
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------
Мартыненко С.В, Коваленко В.Н, Паннбратченко В.Ф. - Национальная горная академия Украины.
