Закономерности работы искусственных массивов в условиях объемного сжатия Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 15

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” М0СКВА,тМГГУ,я29яянваряя-я2яфевраляя2001я'.

© О.З. Габараев, В.И. Голик, С.А. Ананикян, 2001

YAK 622.34

0.3. Габараев, В.И. Голик, С.А. Ананикян

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ИСК"ССТВЕННЫХ МАССИВОВ В YСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО СЖАТИЯ

7_еомеханические системы, обеспечивающие более интенсивный переход закладочного массива из одноосного сжатия в трехосное неравнокомпонентное, более эффективны в отношении сокращения затрат на закладочные работы и управлении состоянием рудовмещающих массивов. Несущая способность закладочных массивов в условиях объемного сжатия значительно выше.

Для создания технологии управления состоянием напряженно-деформированных массивов переводом их в условия объемного сжатия, необходимо исследовать качественные и количественные характеристики таких массивов, выявить динамику изменения этих характеристик.

Величина деформации закладки зависит от ее физико-механических свойств, от времени, необходимого для полной стабилизации массива закладки и рудовмещающих пород, и напряжений, действующих у контура закладки и внутри массива. Объемное напряженное состояние массива по мере удаления от зоны очистных работ изменяется от состояния, близкого к обобщенному растяжению и обобщенному сдвигу, до состояния обобщенного сжатия в глубине массива [1]. В глубине нетронутого породного массива, где влияние очистных работ не сказывается, компоненты главных напряжений находятся в соотношении ст1>ст2=а3 , что соответствует ^=-1 и напряженному состоянию обобщенного сжатия. По мере приближения к зоне очистных работ возрастает зона концентрации напряжений, причем максимальные напряжения ст1 возрастают значительно, а минимальные напряжения ст3 увеличиваются мало. Промежуточные главные напряжения ст2 в зоне концентрации напряжений близки по величине к произведению (ст1+ст3)ц, а компоненты напряжений находятся в соотношении ст1>ст2>ст3, соответствующем при ц0=0,5 напряженному состоянию сдвига. В зоне очистных работ минимальные главные напряжения ст3 становятся равными нулю, уменьшаются концентрация напряжений ст1 и ст2 и возможно соотношение ст1 = ст2 > ст3, характерном

для обобщенного растяжения, когда = 1. При заполнении очистного пространства закладкой, массив начинает работать как несущий конструктивный элемент геомеханической системы и находится в условиях объемного сжатия ст1>ст2=ст3 [2].

В зонах структурно-тектонических изменений, при искажении тензора главных напряжений, состояние объемного сжатия может обеспечиваться условием ст1<ст2=ст3.

Поддерживающий эффект искусственного массива развивается постепенно по мере того, как горные породы деформируются в достаточной степени и выдавливаются в заполненное пространство.

Наступает момент, когда закладочный массив начинает воспринимать полное давление толщи налегающих пород [3]:

82=83=1 [02-^(01+03)];

Е

02=03=^(03+01);

si = Hi Г

1 -

2ц 1 -V

(1)

(2)

(3)

■ модуль упру-

где ц - коэффициент Пуассона; Е гости закладочного массива, МПа.

С увеличением коэффициента Пуассона ц до 0,5 в уравнении (3) 01 обращается в ноль и представляется возможным определить деформацию закладочного массива, находящегося в объемнонапряженном состоянии.

Для исследования деформационных свойств твердеющей закладки были проведены исследования на установке длительного неравнокомпонентного сжатия. Испытания проводили на образцах цилиндрах, изготовленных из раствора, взятого на сливе смесителя с расходом цемента 80 кг/м3. Размеры цилиндров: высота - 100 мм, диаметр - 200 мм. Значительная поверхность нагружения образцов при их относительно небольшой высоте снижает влияние трения между испытываемым материалом и стенками камеры.

В каждом опыте относительную деформацию 8 (%) закладочной смеси определяли из соотношения суммарной величины усадки образца с первоначальной высотой АЬ к первоначальной высоте образца Ь.

Для сравнительной оценки особенностей деформирования закладочного массива при объемном сжатии были определены деформации закладки под нагрузкой на одноосное сжатие на образцах кубов 100x100x100 мм. Результаты определения деформационных свойств твердеющей закладки при различных условиях нагружения приведены в табл. 1

Таблица 1

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЛЕФОРМАНИЯ е (%) ЗАКЛААОЧНОГО МАССИВА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ

Условия Величина отношения аі/асж

работы образца давление, МПа 1 2 3 4 5 6

0 0,56 1,40 2,62 2,91 3,38 3,72

0,25 0,46 1,15 2,16 2,54 2,76 3,05

Объемное 0,50 0,42 1,06 1,64 2,21 2,36 2,32

сжатие 0,75 0,40 0,94 1,31 1,42 1,57 1,86

1,00 0,37 0,79 1,21 1,26 1,28 1,39

1,25 0,33 0,70 1,03 1,08 1,17 1,22

одноосное сжатие 0 0,50 1,40 2,60 2,90 3,40 3,70

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАЛКИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ КАМЕР (НОРМАТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ 2 МПа)

Камера 415а 425 435 417а 410б 409 425 427 431 404б 410а 310в

Заложенный объем нижней части камеры,м 810 270 655 344 345 560 560 417 560 280 650

Прочность образцов в возрасте 1 мес., МПа 4,1 6,0 5,4 6,0 5,0 4,0 5,2 4,4 5,0 4,6 4,1

Коэффициент вариации, % 4 5 5 15 9 13 7 28 17 3 17

Коэффициент упрочнения смеси 2,05 3,0 2,7 3,0 2,5 2,0 2,6 2,2 2,5 2,3 2,05

Таблица 3

ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАКЛАЛКИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ КАМЕР (НОРМАТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ 1,5 МПа)

Камера 415а 425 435 417а 410б 409 425 427 431 404 410а 310в

Заложенный объем нижней части камеры, тыс. м3 18 ,7 7,77 19 ,3 15,2 14,2 17,3 11,3 1,37 13 ,7 3,34 1,35

Прочность образцов в возрасте 1 мес., МПа 2,4 3,45 3,6 3,6 2,85 2,85 3,0 3,15 3, 3 3,15 2,4

Коэффициент вариации, % 17 24 20 23 33 23 35 16 10,5 4,8 30

Коэффициент упрочнения смеси 1, 6 2, 3 2,4 2,4 1,9 1,9 2,0 2,1 2, 2 2, 1 1,6

Таблица 4

УРОВНИ ФАКТОРОВ И ИНТЕРВАЛЫ ИХ ВАРЬИРОВАНИЯ

Условные обозначения в: Ф А К Т О Р Ы У Р О В н и Интер- Размер-

Натур. масштабе Кодовом масштабе -1 0 +1 вал ность

Т Х1 Сроки твердения 28 90 152 62 сутки

С Х2 Расход вяжущего 4 9 14 5 %

Из Х3 Высота массива из закладки 3 34 65 31 м

ь Х4 Длина массива 8 19 30 11 м

Таблица 5

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕАОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОЭФФИЦИЕНТ УПРОЧНЕНИЯ ЗАКЛАЛОЧНОГО МАССИВА

Как видно из табл. 1 относительные деформации закладочного массива в условиях объемного сжатия в 1,7-3 раза ниже, чем при одноосном сжатии и составляют 0,33-3,05.

Для установления величины упрочнения массива из твердеющей закладки при объемном сжатии были проведены исследования в промышленных условиях. На первом этапе определяли величину упрочнения закладочной смеси в условиях объемно-напряженного сжатия, затем исследовалось влияние комплекса технологических параметров на коэффициент упрочнения закладочного массива.

Исследования на первом этапе выполнялись при соблюдении равнозначных условий опыта: производительность закладочного комплекса -270 м3/ч. Поступающий на закладочный комплекс заполнитель (дробленная порода + песчано-гравийная смесь) имел содержание гравия -56 % (кл. + 5мм), что не совсем удовлетворяло требованиям, предъявляемым к заполнителю из-за низкой удельной поверхности - 3,2 м2/кг, но одинакова для всех смесей. Транспортируемая в камеры закладочная смесь имела объемный вес - 2,0 т/м3, водоотделение - 3 %, тон-

кость помола шлака - 40 % выхода активной фракции. Средний расход цемента: - для нижней части камер - 120 кг/м3; - для верхней части камер - 80 кг/м3.

Качество твердеющей закладки определялось:

• испытанием контрольных кубов в месячном возрасте, изготовленным из раствора, взятого на сливе смесителя;

• методом отбора керна из массива закладки.

Для определения прочности закладочного

массива из-за изолирующих перемычек выбуривали керн, из которого изготовляли образцы цилиндра с высотой, близкой к диаметру 56 мм, и испытывали при одноосном сжатии. В разбуренном массиве закладки имелись участки, из которых нельзя было отобрать керн, пригодный для испытаний. Причиной низкого выхода керна являлась неоднородность структуры массива закладки, вызванная применением крупного заполнителя.

Отбор керна для определения величины упрочнения закладочного массива был произведен по 11 камерам, отработанным в прикарьерной зоне.

Результаты исследований представлены в табл. 2 и 3.

Из табл. 2. и 3. видно, что прочность массива твердеющей закладки превышает нормативную, закладочный массив можно считать однородным. Приращение прочности по сравнению с базовым обеспечивается вводом в режим объемного сжатия искусственных массивов из твердеющей закладки.

Для подтверждения эффекта объемного сжатия, был определен по методике [4] коэффициент структурного ослабления К0 до и после отработки камер.

Для этого из подэтажного орта в камеру до ее отработки были пробурены три скважины диаметром 56 мм. После отработки и заполнения камеры твердеющей закладкой по направлениям ранее пробуренных скважин было пробурено еще три скважины. По длине скважин отбирались образцы керна для физикомеханических испытаний.

Величину коэффициента (К0) определяли по

формуле:

/ _ _ \

Рп

Р г

V сот1

I

+ — п

(4)

где L - длина интервала скважины, м; 1 - общая длина частей керна, равных и больше диаметра керна, м; п - число образцов породы длиной, равной диаметру керна, которое может быть получено из керна на интервале, шт; Рп - теоретическое число образцов из керна данного диаметра, которое можно получить из сплошного куска керна,

Рис. 1. Изменение величины коэффициента структурного ослабления под влиянием объемного сжатия искусственного массива: 1,2,3 - скважины, пробуренные до отработки камеры; 4,5,6 - после отработки

длиной 1 м, равное 1/^ где d - диаметр керна в м; Рсот^ - количество кусков керна на исследуемом интервале длиной, равной и больше диаметра керна, шт.

На рис. 1 даны картины распределения К0 по шести скважинам, из которых 1, 2, 3 пробурены до отработки камеры 310 в, а скважины 4, 5, 6 -после ее отработки и заложения твердеющей закладкой. Картины распределения даны попарно, для удобства сравнения.

Полученные результаты позволяют выделить в массиве, слагающем стенку очистной камеры, приконтурную зону мощностью порядка 4 м с повышенной трещиноватостью (с пониженным К0). Если до отработки камеры К0 для этой зоны был около 0,25, то после ее отработки он снизился до 0,04-0,12, т.е. в 2-5 раз. Скважины 1 и 4 не попали в зону влияния камеры, поэтому снижения К0 по ним не наблюдается.

Очевидно, что разрушение камеры объясняется влиянием закладочного массива, создающего боковой подпор стенке камеры с изменением показателя ее ослабленности. Если бы породы в стенке камеры были прочнее, то работа, направленная на ослабление стенки, была бы израсходована на упрочнение смеси в камере.

При исследовании влияния комплекса технологических параметров на коэффициент упрочнения закладочного массива был принят четырехфакторный план Бокса [5].

Уровни независимых переменных и интервалы их варьирования приведены в табл. 4. а матрица планирования и результат экспериментов - в табл. 5.

В результате математической обработки экспериментальных данных и отсева статистически незначимых коэффициентов регрессии получены следующие модели в виде полиномов второй степени:

а) в кодовом масштабе независимых переменных купр = 2,5267 + 0,4994X1 + 0,0422X2 + 0,2328Хэ --0,0128Х4 - 0,2317Х12 - 0,0467Х22 - 0,0417Х32 --0,0217Х42 + 0,0137Х1Х2 - 0,0175Х1Х3 + 0,0137Х2Х3,

(5)

где купр - коэффициент упрочнения массива; Х1, Х2, Х3, Х4 - соответственно сроки твердения, расход вяжущего, высота и длина закладочного массива в безразмерном (кодовом) масштабе

б) в размерном масштабе независимых переменных:

ку

0,7735 + 0,018814-Т + 0,035038-С +

+0,010478-И5 + 0.005645-Ь - 6,0265-10-5-Т2 -

1,7912-10-4-Ь2 + 4,435-10'5-Т-С -9,1-10"6-Т-Н3 + 8,871-10-5-С-Н3.

-1,8668-10'5-Нз2

Сравнение абсолютных величин коэффициентов регрессии показывает, что сроки твердения и высота массива закладки на порядок превосходят влияние расхода вяжущегося и длины массива.

Рис. 2. Трехмерный график зависимости Купр = ^х1, х3)

В связи с этим, приняв в уравнении (5) значения Х2 и Х4 равными нулю, можно получить двухфакторные уравнения регрессии

куПр. = 2,5267 + 0,4994Х] + 0,2328Х3 - 0,2317Х12 -

-0,0417Х32 - 0,0175Х,Х3. (7).

Трехмерный график, полученный на основе уравнения (7) приведен на рис. 2.

Результаты исследований показали, что при погашении выработанного пространства твердеющей закладкой, массив начинает работать как несущий конструктивный элемент геомеханиче-ской системы и находится в условиях объемного сжатия. Относительные деформации закладочного массива в этих условиях в 1,7-3 раза ниже, чем при одноосном сжатии и составляют 0,333,05 %. В условиях объемного сжатия прочность закладочного массива повышается в 1,39-3 раза. Величина упрочнения закладочного массива определяется условиями объемно-напряженного состояния рудовмещающего массива, коррелирует с параметрами погашения выработанного пространства и описывается полиномиальными уравнениями регрессии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Докукин А.В., Чирков С.Е., Норель Б.К. Моделирование предельно-напряженного состояния угольных пластов. - М.: Наука, 1981. - 149 с.

2. Баклашов И.В. Деформиро-

вание и разрушение породных массивов. - М.:Недра,1980. -

271с.

3. Требуков А.Л. Применение твердеющей закладки при подземной добыче руд. - М.: Недра, 1981. - 172с.

4. Ханзаги И. Метод опреде-

ления степени трещиноватости пород. - М.: Экспресс-

информация ВИНИТИ, серия

«Техника и технология буровых и

горных разведочных работ». 1975. - 104с.

5. Новак Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация технологии металлов методами планирования эксперимента. - М.: Машиностроение, 1980. - 304с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

а

и

Габараев О.З. - профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Голик В.И. - профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Ананикян С.А. - аспирант, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

б