CC BY
54
3. Гидроструйные технологии обработки горных пород /В. А. Бреннер [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 176 с.
E.N. Beliakova, K.A. Golovin, I. V. Sapronov
PIPE DRIVING WITH CREA TING PROTECTIVE SOIL-CONCRETE COVER Combined using controllable piercing method jointly with hydro-jet cementation of ground (HJC) method is considered.
Keywords: pipe driving, piercing, HJC, combined using.
Получено 10.05.12
УДК 622.363.023:624.121.54
Н.С. Булычёв, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), Д.С. Комаров, асп., (4872)-44-34-57, denkom87@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛИ МАССИВА СОЛЯНЫХ ПОРОД ДЛЯ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Проведён анализ физико-механических свойств пород соляной толщи верхнекамского месторождения, а также возможных моделей для описания реологических свойств массива. По результатам исследований выбрана модель Кельвина-Фойхта как наиболее подходящая.
Ключевые слова: Верхнекамское месторождение, ствол, каменная соль, реология, толща, вязкие свойства материала, реологические модели, модель Кельвина-Фойхта.
Предметом данной работы является определение оптимальной модели для описания пород соляной толщи на Верхнекамском месторождении. В административном отношении лицензионный участок расположен в Усольском муниципальном районе и на территории, подчинённой г. Березники, в 15 км на юг от данного города (рис. 1).
Многими исследователями в разное время проводились наблюдения за конвергенцией массива. Самые главные результаты натурных исследований на Верхнекамском месторождении заключаются в следующем:
- стенки околоствольных выработок смещаются со средней скоростью 0,017...0,050 мм/сут;
- скорость смещения породного контура вблизи ствола выработки и на сопряжении с приствольными выработками на стадии установившейся ползучести значительно выше (в 10 раз), чем в одиночной выработке.
Из двух вышеприведённых пунктов следует, что самыми опасными участками горного комплекса являются вся приствольная область и сопряжения с горизонтальными и наклонными горными выработками, в ча-
стности. Следовательно, если составить модель для самого «узкого места» системы и решить её со всеми наложенными условиями, при этом, если решение позволит определить несущую способность крепи и срок её службы до капитального ремонта, то данное решение будет верно в любой другой (не экстремальной) точке системы.
Границы участков детальной разведки | Административные границы
ООПТ «Большеситовское болото»
Рис. 1. Схема расположения скважин на лицензионном участке
Начнём составление системы «крепь - массив» с моделирования самого массива. Для этого воспользуемся работами А.Н. Ставрогина и А.Г. Протосеня:
dех = dеех + d 1 (ох - о), dеу = dеу + d 1 (о - о), ^ег = dее + d 1 (о2 - о),
При этом Xе (-¥>;+¥>);d8е..^Уу - приращения, составляющие упругую деформацию по результатам натурных наблюдений (0,017... 0,050 мм/сут); тг- - касательные напряжения; При этом:
У = У + ху ,
dУxz = У + 21хг,
drvz = dye + 2dтvz.
(1)
0 х = оу = 1уИ,
а, = уИ , (2)
1/ ч
аср = 3(аX +ау + 02 ).
Тогда имеем
ох = а1 = а2. (3)
Стоит заметить, что ввиду явно выраженных реологических свойств (1 ® 0) наблюдаем случай равномерного всестороннего сжатия ох = Оу = аг = 7,26 МПа на глубине в соляном массиве порядка 330 м.
Данное утверждение полностью подтверждает модель гидростатического всестороннего (трёхосного) сжатия единичного куба (А.Я. Малкин, А.И. Исаев) (рис. 2):
01 = о2 =оз = _Р . (4)
Рис. 2. Модель гидростатического давления р - всестороннего (трёхосного) сжатия единичного куба
Главные напряжения равны между собой и выражаются следующим образом. Знак «-» означает, что сила направлена внутрь каждого элемента объёма.
При этом гидростатическое давление, или простое давление, очевидно,
= 011 +022 + 033 =_ Л (5)
з з. ( )
В данном случае
о +о¥ + о7 зо,,
р = -+---- = = 7,26 МПа. (6)
3 3 ^
Получается, что гидростатическое давление равно по величине всестороннему сжатию - ах = оу = ог = 7,26 МПа, при этом касательные напряжения ^=0, т.е.
1
х1 =
Х2 =-
0 х _0 у
0 у _0 ?
Х3 = То?
о.
= 0 = 0 ^ =0
d е х = d еех dеу = dееу и d е, = d е!
d Уху = d Ну,
d у х?=d х , d у у? = d ууг.
(7)
При этом получается, что конвергенция горного массива в численном выражении равна по величине приращению упругой деформации, т.е. 0,017...0,050 мм/сут.
Наиболее простым является уравнение деформационной теории пластичности, связывающее компоненты напряжения и деформации:
ех _ 3 0е =У(ох _оХ е у _ 3 ©е =У(о у _о), е ? _ 3 ©е =У(о ? _о).,
у у? = 2 Vх у?,
ухz = 2 Vх х?,
Уху = 2 Vх ху.
(8)
Используя вышележащие преобразования, получим
е.
10е,
3 '
е =10е ^е =е =е =10е
у 3 х у ? 3
е ? =10е,
? 3
(9)
т. е. в соляном массиве имеем случай всестороннего единичного сжатия и всесторонней пластической деформации.
В качестве наглядной иллюстрации процесса конвергенции, предоставляется графическая интерпретация данного процесса в течение одного года на контуре незакреплённой выработки околоствольного двора.
Конвергенция массива пород за расчётный срок (50 лет) составит в самых опасных участках сопряжений порядка 36,3 до 41,3 см. При этом порядка 80 % прироста максимальных величин приходится именно на область сопряжений ствола с горизонтальными выработками.
1 т
го С 1 П
£ 10
3"
?п то
о. СП £3
О а
Щ
I
X си ^
* 6
о -Ф-РЯД1
О. □
гг1 А
К Ц. 5
X {у
*
СЕ о
ГО £- х
п 32
и 0,0 Общая пр 05 0, одольная де( Э1 0,0 юрмация при 15 нагрузке 0,
Рис. 3. Конвергениция соляного массива в окрестности незакреплённой
выработки в течение года
Далее перейдём к описанию самого процесса пролзучести, т.е. реологичексих свойств соляного массива. Функция ползучести по своему физическому смыслу - это возрастающая функция от времени, имеющая некоторый предел. Функция этого вида может быть представлена в вид:
N
у^) = X JJ (1 )[1 - * 1 ], (10)
1=1
где X; - это набор дескретных времён запаздывания;^ - их «веса» или порциальные податливости
к (1п 1)
J (1), (11)
где к(1пХ) - логарифмический спектр времени запаздывания.
При этом не стоит забывать о показателе вязкости п. Для жидкости П<0, т.е. материал может почти бесконечно течь. Обращаясь к результатам многочисленных эксрериментов, делаем вывод , что «текучесть» является свойством и соляных пород, т.е. в рассматриваемом массиве присутствуют необратимые деформации, которые присущи только вязкотекучим единицам. Не будем об этом забывать. Этот факт подтверждается и вышеприведёнными данными конвергенции соляного массива на Верхнекамском месторождении, рассчитанными на 50 лет эксплуатации
комплекса. Максимальное продвижение массива на 41,3 см нельзя назвать ничем иным, как наглядной демонстрацией текучести. А тот факт, что деформации в соляном массиве не затухают никогда и процесс конвергенции стремится к бесконечности, говорит о том, что имеем дело с необратимыми деформациями.
Также в общих случаях функция ползучести описывается с помощью единого времени запаздывания:
у (г) = J
1 - *
(12)
Это уравнение называется моделью Кельвина-Фойхта.
Для того чтобы чётко представить себе реологический закон распределения, воспользуемся положением о заданных деформациях. Авторами было установлено, что величина конвергенции соляного массива вблизи ствола оставляет порядка 0,017...0,050 мм/сут (за 50 лет - порядка 36,3...44,3 см).
Вернёмся к более подробному описанию модели Кельвина-Фойхта:
-г
>кГо
х (г)=х„ (1 - *к / О) = яед - *к / О)
-г
К/О ~
(13)
где К/О имеет смысл времени запаздывания.
Таким образом, оказалось, что комбинация компонент ведёт себя как вязкоупругая среда Кельвина-Фойхта.
г
X
Рис. 4. Параллельно соединённые ёмкость с жидкостью и пружина - модель вязкоупругого тела Кельвина-Фойхта
Легко видеть, что модель Кельвина-Фойхта - это модель поведения твёрдого материала, поскольку приложение постоянной силы приводит к достижению некоторой, ограниченной деформации. Здесь стоит сделать остановку и вновь обратиться уже к исследованному массиву соляных пород. Основные деформации в незакреплённых выработках будут происходить в течение первых 200 - 400 дней в зависимости от глубины проходки и частных физико-механических свойств пород. После этого момента конвергенция будет продолжаться, но в гораздо меньших объёмах в годовом
исчислении. В результате натурных наблюдений, проведённых на втором Березниковском руднике установлено, что на глубине 330 метров, в силь-винитовой толще, активная фаза конвергенции составляет порядка 370 дней. То есть с уверенностью можем утверждать, что в течение первых лет происходит наибольший объём деформаций пород ( порядка 70... 80 %), в оставшиеся же 40 - 45 лет эксплуатации происходит оставшаяся деформация, целиком и полностью обусловленная течением соляных пород. Согласно вышеприведённым сведениям можно с большой долей вероятности установить, что модель Кельвина-Фойхта (модель ограниченной деформации) наиболее полно удовлетворяет описанию соляного массива. Хотя в модели и отмечается эффект запаздывания.
Время релаксации в модели Кельвина-Фойхта отсутствует (точнее, оно неограничено велико). Действительно, модель выдерживает приложенную силу неограничено долго из-за растяжения пружины, которая не релаксирует.
Список литературы
1. Варварка П.М., Рябов А.Ф. Справочник по теории упругости. Киев: Будивельник, 1971. 413 с.
2. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей: монография. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. 429 с.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. 788 с.
4. Лурье А.И.Теория упругости. М.: Наука,1970. 939 с.
5. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. Санкт-Петербург: Профессия, 2007. 557 с.
6. Разработка соляных месторождений: сборник статей конференции. Пермь: ВНИИИГ, 1989.
7. Вопросы и теоретической и экспериментальной реологии горных пород: сб. статей. Вып. 1. Киев: Наукова думка, 1972. 54 с.
N.S. Bulichev, D.S. Komarov
CHOICING AND SUBSTANTIATION MODEL OF POTASSIC ROCKS FOR THE VERHNEKAMSKOE DEPOSIT
We carried out analysis ofphysical-mechanical properties ofpotassic rocks for the Verhnekamskoe deposit. We made analysis of possible models for description rheological rock massif properties. We prove results of researches, that choice Kelvin-Fojhte model as the most suitable.
Key words: Verhnekamsky deposit, shaft, stone salt, rheology, thickness, viscous properties of material, rheological models, Calvin-Fojhte model.
Получено 10.05.12
