Разработка методов определения предельных и запредельных характеристик горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Широколобов, Георгий Валентинович

• Широколобов, Георгий Валентинович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Широколобов, Георгий Валентинович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Методы определения предельных и запредельных характеристик горных пород.

1.2. Способы определения показателей объемной прочности горных пород.

1.3. Анализ результатов испытаний образцов горных пород на объемное сжатие.

1.4. Цель и задачи исследования.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ СПОСОБОВ ИСПЫТА-ф НИЯ НА ОБЪЕМНОЕ СЖАТИЕ.

2.1. Исследование горных пород на сжатие в упругих обоймах.

2.2. Испытание образцов горных пород в обоймах из пластичного материала.

2.3. Исследование на сжатие низких цилиндрических образцов.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ПОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРЕДЕЛЬ

НОМ И ЗАПРЕДЕЛЬНОМ СОСТОЯНИЯХ.

3.1. Определение модуля деформаций пород при сжатии в упругих обоймах.

3.2. Оценка остаточной прочности пород при сжатии в пластичных обоймах.

3.3. Построение паспорта прочности горных пород при испытании низких цилиндрических образцов на сжатие.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕ

• РИСТИК ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ОБЪЕМНОЕ СЖАТИЕ.

4.1. Сопоставление результатов испытаний новым способом с испытаниями в стабилометре БВ-2ЦВНИМИ).

4.2. Математическая модель для оценки результатов лабораторных исследований горных пород на объемное сжатие.

4.3. Методика определения предельных и запредельных характеристик горных пород (испытание низких образцов).

0 ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов определения предельных и запредельных характеристик горных пород»

Актуальность работы. Дальнейшее развитие угольной промышленности России по увеличению добычи угля и ускорению темпов роста производительности труда будет достигнуто за счет механизации и автоматизации производственных процессов, применения более совершенных способов ведения горных работ.

Разработка угольных месторождений характеризуется многообразием сложных горно-геологических условий, которые совместно с условиями отработки угольных пластов формируют закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород массива. Выбор и обоснование рациональных, высокопроизводительных и безопасных способов разработки угольных пластов базируется на знании физических процессов, происходящих в массиве горных пород в процессе ею разработки и применении эффективных методов управления его состоянием.

Состояние горных выработок при разработке месторождений полезных ископаемых обусловлено разнообразными механическими процессами, вызванными техногенными нарушениями естественного квазиравновесного состояния породного массива (расслоение пород, вывалы породы, горные удары и т.п.), в котором производились выработки. Проявление этих процессов в выработках, в основном, связано с деформациями пород и крепи. Управление горным давлением, как правило, сводится к управлению механическими процессами, протекающими в недрах при разработке месторождений.

Современные расчеты смещений в окрестности выработки, давления на крепи горных выработок, прочности целиков требуют знания как предельных так и запредельных характеристик горных пород. Однако в большинстве случаев запредельные характеристики не учитываются при расчетах, так как их определение требует использования сложного оборудования, а проведение испытаний — трудоемкий процесс.

С другой стороны, теоретические исследования и натурные наблюдения подтверждают определяющее влияние запредельных характеристик.

В связи с этим разработка наиболее простых, доступных для исследователя методов получения предельных и запредельных характеристик горных пород при объемном напряженном состоянии с использованием стандартного лабораторного оборудования является актуальной задачей.

Цель работы состоит в разработке и обосновании методов определения предельных и запредельных характеристик горных пород в условиях объемного напряженного состояния с использованием стандартного лабораторного оборудования.

Идея работы заключается в установлении и использовании линейной зависимости между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях горных пород для решения задач горной геомеханики.

Задачи исследования: разработка метода испытания высоких образцов горных пород для определения предельных и запредельных характеристик в упругих и пластичных обоймах; разработка метода определения предельных и запредельных характеристик горных пород при испытании низких цилиндрических образцов; установление взаимосвязи между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях.

Методы исследований. Решение поставленных задач производилось путем анализа и обобщения ранее выполненных исследований, аналитических, лабораторных, статистических исследований и обработки полученных результатов.

Основные научные положения, выносимые на защиту: при испытании на сжатие высоких образцов горных пород в упругих и пластичных пустотелых цилиндрических обоймах в образце создается объемное напряженное состояние; предельные и запредельные характеристики горных пород определены при испытании низких образцов в условиях объемного напряженного состояния, при этом трудоемкость испытаний снижается в 2-3 раза по сравнению с традиционными методами; при испытании на сжатие низких цилиндрических образцов установлено, что между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях существует линейная зависимость.

Научная новизна работы заключается: — в разработке метода испытания высоких образцов горных пород в упругих пустотелых цилиндрических обоймах, обеспечивающего объемное напряженное состояние; в обеспечении постоянного бокового давления с ростом осевой деформации при испытании образцов горных пород в пластичных обоймах; в разработке метода испытаний низких цилиндрических образцов, позволяющего получить объемное напряженное состояние, и определить предельные и запредельные характеристики горных пород; в установлении взаимосвязи между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях в виде линейной зависимости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением апробированных методов научных исследований, представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов лабораторных экспериментов и результатами моделирования методами математической статистики.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач и обосновании методов исследования; в экспериментальных исследованиях и теоретических расчетах при разработке методов испытаний образцов горных пород в упругих и пластичных обоймах; в разработке математической модели процесса осевого сжатия низкого образца; в проведении сравнительных испытаний низких образцов с высокими образцами в стабилометре; в обработке экспериментальных данных и статистическом анализе результатов сравнительных испытаний низких образцов с высокими образцами в стабилометре; в проверке адекватности регрессионных моделей с целью установления взаимосвязи между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях.

Научное значение работы заключается в установлении линейной зависимости между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях.

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанной методики испытания низких цилиндрических образцов позволяет оперативно определять предельные и запредельные характеристики горных пород на стандартном лабораторном оборудовании.

Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были использованы при расчетах смещений в окрестности выработок. "Расчет крепи и охранных целиков подготовительных выработок". — М.: Недра, 1995. — 126 с. Данная работа рекомендована для производственно-технических работников угольной промышленности и студентов горных вузов и факультетов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на X Всесоюзной научной конференции вузов СССР "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991 г.), III Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (Бишкек, 1991 г.), III Международной практической конференции (Кемерово, 1997 г.), научно-технических конференциях преподавателей и студентов КузГТУ (Кемерово, 1991-2003 г.), III очно-заочной международной научно-практической конференции (г.Новосибирск, апрель 2003 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 43 таблицы, список литературы из 66 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Широколобов, Георгий Валентинович

ВЫВОДЫ

1. Полученные результаты сравнительных испытаний низких образцов с испытаниями в стабилометре БВ-21 показали, что отклонение параметров прямолинейной огибающей предельных кругов Мора составляет 10 % — следовательно, результаты испытаний низких образцов сопоставимы с результатами испытаний в стабилометре.

2. Сравнение результатов испытаний "низких" образцов с испытаниями в стабилометре БВ-21 по критерию Вилкоксона показало, что обе выборки принадлежат одной и той же генеральной совокупности. Следовательно, метод испытания "низких" образцов, не требующий сложного оборудования, приемлем для определения предельных и запредельных характеристик горных пород.

3. Проверка гипотезы о линейной зависимости между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях была проведена путем установления адекватности регрессионных моделей с использованием параллельных наблюдений.

Регрессионная модель crz — /(<т?) адекватна, если она пригодна для прогнозирования величины <yz по значению величины <т3. Проверка модели на адекватность основывается на сравнении остаточной дисперсии S<)cm с дисперсией случайности Sq.

Результаты сравнения остаточной дисперсии с дисперсией случайности по критерию Пиллаи показали, что регрессионные модели адекватны.

Следовательно, связь между главными напряжениями в предельном и запредельном состояниях является линейной.

161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена задача определения предельных и запредельных характеристик горных пород на стандартном лабораторном оборудовании, что позволяет значительно повысить эффективность лабораторных испытаний и имеет существенное значение в горнодобывающей промышленности.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. При сжатии образцов горных пород в полых толстостенных цилиндрах из высокопрочной стали реализуется объемное напряженное состояние. При этом с ростом осевого давления растет и боковое. По величине деформации наружной поверхности цилиндра, определяемой с помощью тензодатчиков, вычислены главные напряжения в образцах горных пород.

2. Испытания горных пород в пластичных обоймах с различной толщиной стенок позволили получить различную степень объемного сжатия в условиях постоянного бокового давления, построить огибающую предельных напряжений (кругов Мора), определить объемную деформацию при переходе в запредельное состояние и остаточную прочность, которая имеет тенденцию возрастания с ростом минимального напряжения.

3. Установлено, что осевое сжатие образцов с отношением диаметра к высоте ^ > 1 сопровождается возникновением области объемного напряженного состояния в их центральной части. Степень объемного сжатия возрастает с увеличением отношения результате испытаний образцов горных пород с разным отношениглавных напряжений в предельном и запредельном состояниях, что позволяет строить полный паспорт прочности горных пород.

4. Установлено, что в предельном и запредельном состояниях между главными напряжениями наблюдается линейная связь, позволяющая решать прикладные задачи горной геомеханики.

5. Установлено, что способ испытания низких образцов позволяет оперативно определять предельные и запредельные характеристики горных пород и значительно (2+3 раза) снижает трудоемкость проведения экспериментальных работ.

6. Сравнение результатов испытаний низких образцов с высокими образцами, испытанными в стабилометре по критерию Вил-коксона, доказывает, что метод испытания низких образцов, не требующий сложного оборудования, приемлем для определения предельных и запредельных характеристик горных пород, так как искомая статистика, равная 71, больше предельной, которая для соответствующего объема выборки равна 42. ем получены аналитические зависимости для определения

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Широколобов, Георгий Валентинович, 2004 год

1. Ардашев К.А. Упрощенный способ испытаний на сжатие образцов горных пород при деформировании за пределом прочности /К.А. Ардашев Б.В., Матвеев //ФТПРПИ. — 1979.— № 2.— С. 107111.

2. Ардашев К.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления / К.А. Ардашев, В.Н. Ахматов, Г.А. Катков. — М.: Недра, 1981.—128 с.

3. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. — М.: Недра, 1988. — 277 с.

4. Баклашов И.В. Механика горных пород / Б.А. Картозия, И.В. Баклашов — М.: Недра, 1975. — 270 с.

5. Гастев В.А. Краткий курс сопротивления материалов. — М.: Недра, 1987.

6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975.

7. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев — Киев: Наукова думка, 1975.

8. Протосеня А.Г. Запредельное деформирование вокруг выработки в негидростатическом поле напряжений /А.Г. Протосеня, Г.И. Жуков, В.А. Александров //ФТПРПИ. — 1988. — №2. — С. 1011.

9. Карташов Ю.М. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михеев, А.Б. Фадеев — М.:1. Недра, 1979.

10. Ставрогин А.Н. Механика деформирования и разрушения горных пород/ А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня—М.: Недра, 1992.

11. Ставрогин А.Н. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах / А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня- М.: Недра, 1985.

12. Барон Л.И. Определение свойств горных пород / JI.H. Барон, Б.М. Логунцов, Е.З. Позин М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1962.

13. Кацауров И.Н. Механика горных пород. М.: Недра, 1981.

14. Берон А.И. Исследование прочности и деформируемости горных пород / А.И. Берон, Е.С. Ватохин и др. — М.: Наука, 1973.

15. Черноиван А.В. Прогнозирование устойчивости соляного массива, вмещающего подземную емкость для низкотемпературного хранения газа.— М.: МГИ, 1982.

16. Глушко В.Т. Разрушение горных пород и прогнозирование горного давления / В.Т. Глушко, В.В. Виноградов — М.: Недра, 1982.

17. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. — М.: Издательство стандартов, 1984. — Юс.

18. ГОСТ 21153.3-85. Породы горные. Методы определения прочности при одноосном растяжении. — М.: Издательство стандартов, 1985. —3 с.

19. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. — Л.: Недра. Ленинградское отделение, 1990. — 327 с.

20. Зорин А.Н. Управление динамическими проявлениями горного давления. — М.: Недра, 1978. — 170 с.

21. Норель Б.К. Изменение механической прочности угольного пласта в массиве. — М.: Наука, 1983.

22. Петухов Н.М. Механика горных ударов и выбросов / Н.М. Петухов, A.M. Линьков— М.: Недра, 1983.

23. Матвеев Б.В. Механические испытания горных пород методом соосных пуансонов. — М.: Углетхоздат, 1957.

24. А.С. №1694895 СССР, МКИ Е21С39/00, № 473110 Способ испытания образцов горных пород на объемное сжатие /А.Е. Клыков, О.С. Курзанцев, Л.В. Кутенков, Г.В. Широколобов. Опубл. 1991, Бюл. №44.

25. Попов Л.Н. Лабораторный контроль строительных материалов и изделий. — М.: Стройиздат, 1986. — 576 с.

26. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. — М.: Стройиздат, 1986. — 464 с.

27. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. — М.: Стройиздат, 1981. — 462с.

28. Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов. — М.: Недра, 1978. — 243 с.

29. Руппенейт К.В. Вероятные методы оценки прочности и деформируемости горных пород / К.В. Руппенейт, М.А. Долгих, В.В. Матвиенко — М.: Стройиздат, 1964.

30. Ильницкая Е.И. Свойства горных пород и методы их определения / Е.И. Ильницкая, Р.И. Тедер, Е.С. Ватолин и др. — М.: Недра, 1969.

31. Матвеев Б.В. Руководство по приведению испытаний объемной прочности горных пород. — JI.: ВНИМИ, 1962.

32. Войцеховская С.И. Рекомендации по методам определения запредельных характеристик горных пород при одноосном и трехосном сжатии / С.И. Войцеховская, М.Д. Ильинов, Ю.М. Карташов и др. — Л.: ВНИМИ, 1981. —42 с.

33. Койфман М.И. Прочность горных пород в объемном напряженном состоянии / М.И. Койфман, Е.И. Ильницкая, В.И. Карпов — М.: Наука, 1964.

34. Матвеев Б.В. Методика лабораторного определения прочности горных пород на сдвиг (срез). — Л.: ВНИМИ, 1968.

35. Матвеев Б.В. Руководство по механическим испытаниям горных пород методом соосных пуансонов. — Л.: ВНИМИ, 1960.

36. Нестеров М.П. Вопросы теоретической и экспериментальной геологии горных пород. Вып.1. — Киев: Наукова думка, 1972.

37. Ягодкин Г.И. Прочность и деформируемость горных пород в процессе их нагружения / Г.И. Ягодкин, М.П. Мохначев, М.Ф. Култыш —М.: Наука, 1971. — 145 с.

38. Протодьяконов М. М. Определение крепости горных пород на образцах неправильной формы / М. М. Протодьяконов, B.C. Вобли-ков //Уголь. — 1957. — №4.

39. Ягодкин Г.И. Универсальный прибор для исследования прочностных и деформационных характеристик горных пород и строительных материалов (УПМИ) / Г.И. Ягодкин, М.П. Мохначев— М.: ИГД им. А. А. Скочевского, 1962.

40. Ягодкин Г.И. Определение прочностных и деформационных характеристик горных пород на приборе УПМИ / Г.И. Ягодкин, М.П. Мохначев — М.: ИГД им. А.А. Скочевского, 1965.

41. Карташов Ю.М. Упрощенный способ определения показателей объемной прочности горных пород / Ю.М. Карташов, А.А. Гро-хальский // ФТПРПИ. — 1974. — №3. — С. 110-115.

42. Грохальский А.А. Сборник трудов ВНИМИ, №81. — J1.: ВНИМИ, 1971.

43. Карташов Ю.М. Инструкция по определению запредельных характеристик прочности и деформируемости горных пород с помощью установки БВ-21 / Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, М.Д. Ильинов—Л.: ВНИМИ, 1986. —31 с.

44. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа, 1983.

45. Ставрогин А.Н. Пластичность горных пород / А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня — М.: Недра, 1979.

46. Протодьяконов М.М. Метод определения прочности горных пород на одноосное сжатие: //Механические свойства горных пород: Сб. науч. тр. —М.: Изд. АН СССР, 1963.

47. Бирюков А.В. Методы анализа и обработки наблюдений: Методические указания к использованию математической статистики в научной работе студентов и аспирантов всех направлений — Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 2002. — 23с.

48. Батке К. Численные методы анализа и метод конечных элементов / К. Батке, Е. Вильсон — М.: Стройиздат, 1982. — 447с.

49. Байкин В.В. Испытание горных пород в пластичных обоймах / В.В. Байкин, С.А. Сидельников, Г.В Широколобов //Физические процессы горного производства: Тез. докл. X всесоюзн. научн. конф. вузов СССР. — М., 1991.

50. Клыков А.Е. Особенности испытания горных пород в металлических обоймах / А.Е. Клыков, Ю.П. Соболев, Г.В. Широколобов //Актуальные вопросы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. — Кемерово: КузГТУ, 1997. — С. 103-111.

51. Паначев И.А. Некоторые предпосылки к определению коэффициента полезного действия дробления горных пород / И.А. Паначев, А.В. Бирюков, Г.В. Широколобов //Вестн. КузГТУ. — Кемерово. — 1998. — №2. — С. 58-61.

52. Широколобов Г.В. Результаты испытаний образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния / Г.В. Широколобов, Ю.П. Соболев, А.Е. Клыков //Вестн. КузГТУ. — Кемерово. — 1999. —№4. —С.17-19.

53. ГОСТ 24941-81. Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами. — М.: Издательство стандартов, 1981.

54. ГОСТ 21153.5-88. Породы горные. Метод определения предела прочности при срезе со сжатием. — М.: Издательство стандартов, 1988.

55. ГОСТ 21153.8-88. Породы горные. Метод определения предела прочности при объемном сжатии. — М.: Издательство стандартов, 1988.

56. Кол оков С.В. Определение границ неупругой области вокруг горной выработки //Горный журнал. — 1988. — №9. — С.39-41.

57. Широколобов Г.В. Анализ поведения низких образцов горных пород при испытании на сжатие //Наукоемкие технологии добычи ипереработки полезных ископаемых: Материалы III очно-заочной международной науч.-практ. конф. г. Новосибирск, апрель 2003 -С. 119-120.

58. Калинин С.И. Управление горным давлением при разработке пологих пластов с труднообрушаемой кровлей на шахтах Кузбасса. Кемеровское кн. издательство, 1991.

59. Калинин С.И. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами /С.И. Калинин, В.М. Колмагоров.-Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002.-114 с.

60. Егоров П.В. Горные удары и методы оценки удароопасности некоторых пород Криворожья / П.В. Егоров, А.А. Ренев, А.Н. Поляков Фрунзе, 1979.- С. 253-255.

61. Петухов И.М. Инструкция по безопасному ведению горных работ нва рудниках разрабатывающих месторождения склонные к горным ударам / И.М. Петухов, Егоров П.В., Поляков А.Н., и др.-Ленинград: Л. ВНИМИ, 1981.

62. Мурашев В.И. Разработка научных основ безопасного ведения горных работ в угольных шахтах на основе исследования геомеханических процессов //Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. (05.26.01).— М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1980.

63. Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н. Вылегжанин, П.В. Егоров, В.И. Мурашев: Отв. ред. Г.И. Грицко: АН СССР, Сиб. отд., Инст. угля.— Новосибирск: Наука. Сиб. от., 1990.—291