CC BY
20
УДК 550.34+622.831
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НДС ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ ВЫРАБОТКИ В СОЛЯНОМ МАССИВЕ
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)217-05-41, e-mail: vbar@misd.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, тел. (383)217-05-15, e-mail: vbar@misd.ru
В статье приведены результаты экспериментальной апробации метода параллельных скважин при определении НДС в окрестности выработки, пройденной на глубине 655 м от поверхности в соляном массиве рудника «Мир» АК «Алроса». Выполнены исследования упругих констант соли на участках измерений напряжений. Получена количественная оценка компонент и величин квазиглавных напряжений в приконтурной зоне выработки.
Ключевые слова: соляной массив, горная выработка, метод параллельных скважин, деформометр, нагрузочное устройство, модуль упругости, напряженно-деформированное состояние.
EXPERIMENTAL RESEARCH FINDINGS ON STRESSES IN SALT ROCK MASS AROUND AN EXCAVATION
Vasily D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Head of Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-41, e-mail: vbar@misd.ru
Dmitry V. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-15; e-mail: vbar@misd.ru
The paper describes experimental testing of parallel drilling method in estimation of stresses in salt rock mass around an excavation driven at a depth of 655 m below surface in Mir Mine, ALROSA. Elastic constants of salt in the stress measurement areas are investigated. The authors estimate quantitatively quasi-principal stresses in the adjacent rock mass in the zone of the excavation.
Key words: salt rock mass, underground excavation, parallel drilling method, deformation meter, loading device, elasticity modulus, stress-strain state.
Обоснование рациональных параметров системы разработки при проектировании и ведении подземных горных работ во много определяется достоверностью исходной информации по состоянию и механическим свойствам массива горных пород. Надежность оценки параметров действующих в массиве напряжений обеспечивается экспериментальными методами исследований. На ранней стадии отработки месторождений целесообразно использовать сква-жинные методы, основанные на измерении деформаций и смещений контура измерительной скважины, вызванные полной или частичной разгрузкой массива.
В ИГД СО РАН предложен способ определения НДС массива, получивший название метода параллельных скважин [1]. Суть метода заключается в бурении измерительной скважины, в которой устанавливается на определенной глубине многокомпонентный скважинный деформометр. После измерений начальных показаний осуществляется бурение на некотором удалении соседней (возмущающей) скважины, параллельной измерительной. Вызванные при этом смещения контура измерительной скважины характеризуют величины квазиглавных (главных в плоскости измерения)напряжений в массиве.
Важным достоинством метода является то, что деформационные свойства массива, необходимые для пересчета измеренных смещений контура скважины в напряжения, определяются непосредственно в массиве на участке установки деформометра. Для этого производят равномерное нагружение контура возмущающей скважины с использованием нагрузочного устройства, установленного «напротив» деформометра. Полученные при этом смещения контура позволяют определить упругий модуль массива [2].
Для реализации метода в ИГД СО РАН разработан измерительный комплекс приборов, отвечающий современным требованиям в части автоматизации процесса измерений и обработки данных [3,4]. Разработанные программно-технические средства прошли успешную апробацию при исследованиях НДС железобетонной крепи и бетонного массива [5,6].
В настоящее время на руднике «Мир» АК «Алроса» (Республика САХА -Якутия) под защитой подкарьерного предохранительного целика приступили к отработке подкарьерных запасов с применением слоевой нисходящей системы разработки с твердеющей закладкой. Выемку запасов нижележащего блока 2 на глубинах 650 - 740 м от поверхности планируется осуществлять камерной системой разработки с закладкой.
В качестве исходной информации для обоснования численными методами расчета оптимальных параметров конструктивных элементов необходимы данные о величинах напряжений в массиве горных пород месторождения, отсутствующие в настоящее время. Вмещающие породы представлены соляной толщей пород на глубине разработки.
Для проведения исследований параметров исходного поля напряжений в соляном массиве применен метод параллельных скважин. Сложность его реализации заключается в том, что соляной массив обладает ярко выраженными реологическими свойствами, в то время как расчетный аппарат метода основан
на применении упругой модели. Поэтому эффективность метода требует экспериментальной апробации с оценкой реологической составляющей деформации контура скважины за время бурения возмущающей скважины.
Апробация программно-технических средств и методики выполнения эксперимента в соляной толще пород проводилась в сбойке 1 нагор. -310 м (655 м от поверхности). Схема расположения замерной станции приведена на рис. 1.
Вид А
Рис.1. Схема СЗН в сбойке 1 гор. -310 м
Бурение измерительной (077 мм) и возмущающей (0112 мм) скважин осуществлялось буровой машиной Husqvarnaи алмазными коронками фирмы Bosch (рис. 2).
Рис. 2. Буровая установка с буровым стендом Husqvarna, коронка Bosch
Результаты бурения показали высокое качество состояния контуров скважин и их соосность до глубины 2 м от контура орта.
В качестве примера экспериментальной апробации измерительных средств и методики эксперимента приведены данные, полученные на глубине установки деформометра (ГУД) к = 1,65 м от контура орта. На рис. 3 приведены графики смещений контура измерительной скважины по четырем направлениям деформометра (см. рис. 1) при ступенчатом нагружении возмущающей скважины.
11.0 с 1 7.0 | 5,0 я Й 3,0 1,0 -1 р Мир, отм -310 м, ГУД=1,65 м
Ч \ / А >
{
/
X ч \ ) ¥
О Ь. и У
5 -1 3 -1 1 - Сме щенш 5 бал о 3-11: к по направления 2 ¡-3 -^-4 м.мкь I с 1 1
Рис.3. Деформации контура скважины при определении модуля с.
В табл.1 показаны результаты расчета упругого модуля ^ = £/4(1 -V2), а в табл.2 - сравнительная оценка вычисленного по модуля упругости (е = 3,640-^ при V = о,з) соли с результатами его определения по испытанию образцов керна. В табл. 3 и 4 приведены экспериментально определенные величины компонент и квазиглавных напряжений.
Таблица 1
Результаты расчета модуля &&
р. Мир отм.-310 м, 13.11.15, ГУД=1.65 т D1= 77.0шт, Б2= 112.0шт, Ь= 174.0тт
давление, МПа
1. 1 3. 4 5. 6 7.9 10.2 7.9 5. 6 3. 4 1. 1
пара угол коэф смещения, Мкм
1 0.0-0. 17Е+00 0, 0 -3, 2 -6. 4 -9.8 -13.4 -10.6 -7. 2 -3. 9 -0, 5
1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 -45.0 0. 14Е-01 0, 0 -1, 0 -1. 9 -2.9 -4.2 -3.3 -2. 4 -1. 3 -0, 3
1 1 1 1 1 1 1 1 1
3 90.0 0. 13Е+00 0, 0 2, 6 5. 2 8.0 10.7 8.5 6. 0 3. 4 0, 9
1 1 1 1 1 1 1 1 1
4 45.0 0. 14Е-01 0, 0 0, 6 1. 5 2.4 3.3 2.7 1. 8 1. 0 0, 4
1 1 1 1 1 1 1 1 1
Результат расчета модуль Gk, ГПа (90 О, • о доверительный интер вал)
суммарный угол= 0.0 угол= 90.0
ветвь нагрузки
0.44Е+01 (0.38Е+01,0.52Е+01) 0.44Е+01 (0.42Е+010.45Е+01) 0.43Е+01 (0.42Е+01,0.44Е+01)
ветвь разгрузки
0.46Е+01 (0.40Е+01,0.54Е+01) 0.45Е+01 (0.43Е+01,0.47Е+01) 0.46Е+01 (0.45Е+010.48Е+01)
Таблица 2
Деформационные свойства солевого массива на участке измерения напряжений
Глубина измерения, м N опыта Величина нагрузки, МПа Ветвь нагрузки Ветвь разгрузки
?=:,(*), ГПа Е** ?=:,(*), ГПа Е**
1.65 1 2 10.2 10.2 4.3 (3.7 - 5.0) 4.4 (з.8 - 5.2) 15.7 16.0 4.7 (4.1 - 5.4) 4.6 (4.0 - 5.4) 17.1 16.7
(*) - 90% доверительный интервал; ** - Е = при V = 0.3
Таблица 3
Расчет действующих напряжений (МПа) при ГУД = 1,65 м
ГУД Г1 R1 R2 L ГХ GK
1. 65 90 . 38 .5 56. 0 180.0 270. 4701
изм.напр. 1 2 3 4
смещение -0 .0076 -0 .0108 -0 .013 8 -0 .00 80
пpизнак 1 1 1 1
-0. 0074 -0. 0111 -0. 0135 -0 . 008 3
XX YY XY S1 S2 HS2
-5.3 -17 .8 -0.5 -5.3 -17.8 -2.
DZETA= 0.010 0.2 0.8 0.1
1-2-3 -5.4 -18.2 -0.3 -5.4 -18 .2 -1.
1-2-4 -4.9 -17 .1 -0.5 -4. 9 -17.1 -2.
1-3-4 -5.4 -18.2 -0. 6 -5.3 -18 .2 -3.
2-3-4 -5.6 -17 .7 -0.5 -5.6 -17.7 -2.
Таблица 4
Компоненты и квазиглавные напряжения (МПа) в вертикальной плоскости (азимут 310°) на глубине измерений
Глубина измерения, м Компоненты напряжений, МПа Главные напряжения, МПа Угол между горизонтом и <2, град.
а*) <1 <2
1.65 -5.3 (0.2) -17.8 (0.8) -0.5 (0.1) -5.3 -17.8 -2**
Анализ результатов проведенных исследований показал следующее: • разработанный измерительный комплекс обеспечивает надежную регистрацию смещений контура измерительной скважины с разрешающей способностью (чувствительностью) 0,5 мкм, вызванных бурением возмущающей скважины и последующим нагружением ее контура;
• для уменьшения влияния деформаций ползучести контура измерительной скважины, выполнение экспериментальных определений напряжений следует проводить не ранее 2-3 дней после ее бурения;
• результаты определения упругого модуля с^ при нагружении возмущающей скважины свидетельствуют о корректности использования упругой, однородной и изотропной модели при пересчете деформаций контура измерительной скважины в величины напряжений на участке установки деформомет-ра: линейная зависимость деформаций от нагрузок без значительных остаточных смещений (упругость) и отсутствия нарушений контура скважины (однородность массива без нарушения его сплошности), хорошее согласование значений модуля с^г по всем измерительным направлениям деформометра, (изотропность массива) при максимальном 90% доверительном интервале в 30% от значения при среднеквадратическом отклонении не более 7% (см. рис. 3 и табл.1);
• результаты расчета по величине ¿г^ модуля упругости Е = 16 гпа (см. табл.2) хорошо согласуются с его оценкой по образцам керна из соли Чарской СВИТЫ (14,6 19,6 Г Па);
среднеквадратические отклонения компонент напряжений по результатам статистической обработки составляют 0,1-0,8 МПа (4-20% от величины о) (см. табл. 3 и 4), что вполне допустимо для экспериментальных исследований;
по результатам численных расчетов по упругой модели коэффициентов концентрации напряжений в окрестности орта 1 на глубине заложения измерительной станции установлено, что влияние орта на горизонтальную компоненту вдоль его оси ограничено глубиной до 2 м от контура, а интегральное значение коэффициента концентрации вертикальной компоненты напряжений на глубине 1,65 м составляет 1,45; тогда при уН - 17,1 мпастЕрасч должно достигать величины 24,8 МПа, что сопоставимо с прочностью соли (24,7 МПа);
• поскольку измеренная величина вертикальной компоненты напряжений составляет = 5,3 МПа (см. табл. 4), что существенно меньше расчетной его величины (тЕрЕ14, можно заключить, что приконтурная часть орта подвержена пластической деформации;
• измеренная горизонтальная компонента напряжений вдоль оси орта ат = 17,8 МПа (см. табл. 4) сопоставима по величине с уЯ.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Результаты определения напряжений в орте 1 нагор. -310 м свидетельствуют о наличии в его окрестности упруго-пластической зоны, где величины напряжений ниже таковых для упругой модели. В этом случае оценка параметров исходного поля напряжений по данным натурных измерений возможна за зоной влияния горной выработки без каких-либо поправок. Данные измерений на контуре или вблизи его требуют достаточно сложной процедуры интерпретации и дополнительных исследований по корректному выбору модели поведения массива.
2. Установлено, что величина горизонтальной компоненты напряжений вдоль оси орта (А= 310:) сопоставима с величиной вертикальных напряжений, вызванных весом налегающей породы (уИ ).
Работа выполнена при финансовой поддержке института «Якутнипро-алмаз» АК «Алроса».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М.В., Барышников В.Д., Попов С.Н. и др. Способ определения НДС в массиве горных пород // Открытия и изобретения. -1981. -№40.
2. Барышников В.Д., Курленя М.В., Попов С.Н. и др. Способ натурного определения упругих свойств горных пород в методе параллельных скважин / ФТПРПИ,1982, №1.
3. В.Д. Барышников, В.Г. Качальский. Автоматизированный измерительный комплекс приборов для определения напряжений в массиве горных пород методом параллельных скважин. / ФТПРПИ. Новосибирск, 2010, №3
4. В.Д. Барышников, В.Г. Качальский. Программное обеспечение для определения напряжений в массиве горных пород. / Proceedings of the Vth International Geomechanics Conference, Varna, 2012.
5. Baryshnikov V.D., Baryshnikov D.V., Khmelinin A.P. Experimental estimation of the mechanical condition of the reinforced concrete lining in underground excavations. / SGEM, Albena, 2014, vol.2
6. V. Baryshnikov, D. Baryshnikov. Instrumental assessment of stress in concrete /SGEM, Albena, 2015, vol.3
© В. Д. Барышников, Д. В. Барышников, 2016
