Методы определения и программы расчетов показателей прочности и деформирования горных пород в условиях трехосного не равнокомпонентного сжатия*

работки породы кровли в процессе проведения взрывных работ скалывались на всю длину заряда. В таком случае можно утверждать, что зона сопряжения разрезной выработки и очистного пространства камеры составляет око-ло100 % площади элементарной выемочной единицы (камеры). При этом прирезаемая мощность пород в камерах уменьшалась с ростом балансовой мощности рудной залежи. Это было связано с уменьшением отклонений высотных отметок кровли восстающих от верхнего рудного контура в очистных камерах с большей балансовой мощностью рудной залежи.

При изменении балансовой мощности рудной залежи в пределах 1,94 и 2,98 м прирезаемая мощность пород изменялась соответственно в пределах 0,63 и 0,03 м [2].

При выемке рудных залежей мощностью 1.5-3.3 м и углом падения 9-23° Умбозерского участка месторождения по камерно-столбовой системе разработки с применением самоходного оборудования среднее значение устойчивого пролета камеры в очистных столбах было принято равным 18 м. На таком максимальном расстоянии буровая каретка могла разбуривать рудный массив из разрезной выработки.

Выемку камер производили лентами, длина которых соответствовала параметрам блока по простиранию рудной залежи. Уходка забоя после выемки каждой из 4-х лент камеры составляла 2.8 м.

При средней мощности рудной залежи 2.88 м в блоке № 3с разубоживание в первых лентах изменялось от 27.2 до 16.1 % и в среднем составило 18.7 %. С увеличением порядкового номера лент камеры разубожива-ние снижалось. Во 2-ой, 3-ей и 4-ой лентах ве-

1. Повышение эффективности панельно-столбовой системы разработки на руднике «Умбозеро» /А.Н. Любин, И.И. Бессонов, С.И. Пернацкий и др. //Г орный журнал. - 1998. - №4. - С. 66-70.

— Коротко об авторах ------------------------

Любин А.Н. — Горный институт Кольского научного ный сотрудник.

личина разубоживания в среднем составляла соответственно 14.6, 9.0 и 9.7 %.

Из анализа результатов выемки камер в очистных столбах лентами следует, что влияние «подрезки» пород кровли контуром разрезной выработки в значительной степени сказывается на формировании разубоживания первых двух лент. С увеличением порядкового номера лент отрабатываемой камеры это влияние уменьшается, поскольку высота разбуриваемого забоя от ленты к ленте постепенно приближается к балансовой мощности рудной залежи в камере. В этом случае можно утверждать, что зона сопряжения разрезной выработки и очистного пространства камеры в столбе составляет не более 50 % площади элементарной выемочной единицы. Кроме того, технология шпуровой отбойки с применением самоходного оборудования по сравнению с отбойкой скважинными зарядами при камерной выемке балансовых запасов позволяет значительно сократить разубожи-вание в двух последних лентах лучшим оконтуриванием рудной залежи в границах ее мощности.

Таким образом, при очистной выемке маломощных пологих рудных залежей технология шпуровой отбойки позволяет локализовать в границах зоны сопряжения разрезной и очистной выработок формирование разубожива-ния рудной массы породами кровли, «подрезанной» разрезной выработкой при неточном расположении ее кровли относительно верхней границы рудного контура. Применение же технологии скважинной отбойки сопровождается формированием такого рода разубоживания рудной массы по всей площади элементарной выемочной единицы.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Любин А.Н. Показатели отбойки при разбурива-нии маломощных рудных залежей скважинами // Г орный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №7. - С. 41-43.

центра РАН, кандидат технических наук, старший науч-

= © С.Е. чирков, П.В. чирков,

2004

С.Е. Чирков, П.В. Чирков

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРОГРАММЫ РА СЧЕТОВ ПОКАЗА ТЕЛЕЙ ПРО ЧНОСТИ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НЕ РАВНОКОМПОНЕНТНОГО СЖАТИЯ*

Семинар № 3

ассмотрены четыре схемы нагружения испытываемых образцов горных пород в существующих установках трехосного сжатия с тремя, двумя и одним нагружающими устройствами. Приведены расчетные формулы и описаны составленные программы расчетов показателей прочности и деформирования горных пород

Все созданные установки для испытаний горных пород в условиях трехосного не равнокомпонентного напряженного состояния можно разделить на три типа : с одним, двумя и тремя нагружающими испытываемые образцы приводами (прессами, домкратами, насосами высокого давления). Описание этих установок имеется в работах [1-6]. Выполненные методические исследования [7] позволили рекомендовать четыре рациональные схемы нагружения образцов горных пород в таких установках (рис. 2-4).

Методы проведения испытаний зависят от конструктивных особенностей установок, реализующих те или иные способы (схемы) нагружения испытываемых образцов. Во всех методах в процессе нагружения фиксируются сжимающие силы и возникающие деформации испытываемых образцов, а также различные сигналы реакции горных пород на приложенные нагрузки (акустическая эмиссия, скорости волн, электропроводность или другие сигналы в зависимости от задач исследований). Все это регистрируется не только до предела прочности (величина максимального сжимающего напряжения), но и после его достижения до вы-полаживания диаграммы «напряжение- деформация» на уровне остаточной прочности (если такое происходит, как правило, идет дальней-

шее снижение напряжений по мере увеличения деформаций).

Данная методика предусматривает испытания горных пород в условиях трехосного не равнокомпонентного сжатия по четырем схемам нагружения.

В установках с тремя независимыми устройствами нагружения, но не по схеме, изображенной на рис. 1, не позволяющей получить надежные результаты испытаний, а по предлагаемой схеме (рис. 2).

В установках с тремя независимыми приводами (прессами, гидроцилиндрами и др.) по всем трем осям образцы горных пород могут нагружаться в пяти различных режимах [4]:

1. Постепенное увеличение максимального сжимающего разрушающего напряжения ^ при заданном параметре вида напряженного состояния (режим заданных напряжений).

2. То же при постоянных величинах промежуточного ст2 и минимального ст3 сжимающих напряжений после предварительного обжатия до минимального напряжения.

3. То же после предварительного обжатия до минимального напряжения (постоянного) с запрещением деформаций в направлении промежуточного сжимающего напряжения (режим заданной деформации).

4.То же после предварительного обжатия при котором и напряжения и деформации формируются произвольно, в зависимости от свойств

горных пород и установки (режим бокового распора).

5.Разгрузка предварительно обжатого высоким гидростатическим давлением

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 02-05-64063а 40

Рис. 1. Схема нагружения испытываемых образцов на созданных ранее установках трехосного сжатия: Fl.2.з - сжимающие силы, площадки контактирования нагружающих плит с испытываемым образцом заштрихованы

образца до напряжений определенной величины и определенного вида напряженного состояния (режим разгрузки).

Вторая схема нагружения осуществляется в установке УТС-3 [6], где нагрузка на образцы передается по всей поверхности граней испытываемого образца. Здесь используется один пресс и устройство для создания высокого давления рабочей жидкости в камере.

Рис. 3. Схема нагружения образцов с двумя нагружающими устройствами

Рис. 2. Предлагаемая схема нагружения образцов на установках с тремя независимыми приводами создания сжимающих усилий.

Поверхности контакта образца с плитами нагружающих устройств заштрихованы, Лh - зазоры между плитами нагружающих устройств

Рис. 4. Схема трехосного сжатия испытываемых образцов при использовании одного нагружающего устройства: F- сжимающее усилие; 1,9 - плиты пресса; 2 -упорный шарикоподшипник; 3,8 - верхняя и нижняя опоры; 4,7 - верхняя и нижняя половинки шара; 5 - пластины, передающие нагрузку на образец; 6 - нагружаемый образец

і= з

— 7----------—^-------------

Расчет значений Е.Э

Заполнение соответствующий ячеек строки \ рассчитанными значениями

Достигнута нижняя строка 9 таблицы?

Да

Нахождение

МахБ.МахРАтіпР^рг,

Ттах.ОисІ

Вывод данных

Вывод графика

г 14 -----------1----------

Печать документа

Рис. 5

Третья схема нагружения осуществляется в устройстве, реализующем приложение сил по схеме показанной на рис. 3.

В четвертой схеме нагружения, осуществляемой в новом устройстве, поверхности граней образцов полностью закрываются пластинами, передающими сжимающие силы (рис. 4).

Кратко, опуская общие положения методики, отбор проб, подготовку к испытаниям, перечень необходимого оборудования, методика испытаний горных пород в новом устройстве заключается в следующем:

1. Основание 8 устройства (рис. 4) размещается на плите пресса 9. На него устанавливается нижняя половинка шара 7 и разворачивается в гнезде нижней опоры таким образом, чтобы получить намеченное соотношение между главными напряжениями. Оно определяет-

Рис. 6

ся отношением квадратов косинусов углов направлений сжатия по осям испытываемого образца относительно вертикали (направления сжимающей силы пресса). При этом углы наклона перпендикуляров к плоскостям трехгранного углубления в нижней половинке шара относительно направления приложения сжимающей силы пресса (углы наклона направления главных напряжений относительно направления сжимающей силы пресса) устанавливаются с использованием инклинометра любой конструкции. Сумма квадратов косинусов направляющих углов должна быть равна единице.

2. Тщательно изготовленный кубический или призматический образец 6 изолированный слоем клея (например «момент»), покрывают тонким слоем графитовой смазки и в окружении пластин 5, которые также смазываются, размещается в трехгранном углублении нижней половинки шара. При этом пластины, передающие нагрузки на образец, размещаются таким образом, чтобы при деформации образцов они не упирались друг в друга, а лишь проскальзывали относительно друг друга (рис. 4).

i=i+^

Рис. 7

На образце размещают верхнюю половинку шара 4, а на нее верхнюю опору 3 и опорный подшипник 2.

3. Устройство нагружают ^0) не более чем на 5 % от предельной нагрузки и устанавливают датчики деформаций (индикаторы часового типа), измеряющие деформации образцов в направлении осей образца.

4. Значения деформаций на датчиках при нагрузке F0 принимают за условный ноль отсчета деформаций. Индикаторы часового типа устанавливают в положение нулевого отсчета с натягом на 1-2 оборота большой стрелки.

5. Деформации образца регистрируют не менее чем при десяти значениях напряжений сжатия в процессе нагружения до максимального значения Fм и при последующей разгрузке до F0 регистрируют деформации также не менее чем при десяти значениях нагрузки.

6. При дискретной записи нагрузки и соответствующих деформации по осям образца интервал между ними не должен превышать

10 с при нагружении и разгрузке образца. Продолжительность остановки при переходе от нагружения к разгрузке не должен превышать 30 с.

Образец нагружают равномерно со скоростью нагружения 1-5 МПа в минуту по направлению максимального сжимающего напряжения. Момент разрушения фиксируется по максимальной сжимающей нагрузке и записывается в кН.

7. При необходимости определяют влажность испытанного образца.

Предлагаемая методика распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 1 МПа.

Испытания образцов проводят для определения следующих прочностных и деформационных характеристик горных пород:

предела и остаточной прочности при различных значениях нормальных напряжений и видах напряженного состояния;

зависимостей «напряжение-деформация»; модуля упругости; модулей деформации и спада; предельной и остаточной прочности; максимального и остаточного сопротивления сдвигу;

полной работы деформирования образца; удельной объемной работы разрушения; зависимостей «напряжения-деформации».

Для всех четырех схем нагружения составлены программы расчета указанных характеристик горных пород. Учтено влияние трения и изменение размеров образцов в процессе их деформирования после достижения предела прочности.

Блок-схемы алгоритмов расчета показаны на рис. 5-7. Для всех четырех схем нагружения представлена одна укрупненная блок-схема с различным наполнением. По этой блок-схеме составлены четыре программы - по одной для каждой схемы нагружения.

По второй блок-схеме рассчитываются углы наклона осей образца, которые необходимо установить при четвертой схеме нагружения (в новом устройстве) при заданном значении параметра Надаи-Лодэ и уровне объемного сжатия, выраженного через отношение минимального сжимающего напряжения к максимальному.

По третьей блок схеме производится проверка правильности определения углов наклона осей образца при произвольном задании напряженного состояния.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Протодьяконов ММ., Ильницкая Е.И., Карпов В.И. Методы исследования механических свойств горных пород в условиях объемного напряженного состояния. В сб. «Механические свойства горных пород». М., Изд-во АН СССР, 1963.

2. Buchheim W., Hofer K.H., Meiser C. Ein echtes Tri-axialgerat zur Messing der Gesteinseigenschaften unter hohen Drucken. Bergakademie, Bd. 17, №8, s 461-465, 1965.

3. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. - К.: Наукова думка, 1989. - 192 с.

4. Алексеев АД., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. - К.: Наукова думка, 1989. - 168 с.

5. Hofer K.H., Heyne K.H. Zur Durchführung achter Triaxialversuche. Bergakademie, Bd.20, № 1, s 9-11, 1968

6. Чирков С.Е. Способ испытаний горных пород. Автор. свид. №279534.Бюлл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1970, №27.

7. Чирков С.Е. Развитие способов испытаний механических свойств горных пород в условиях трехосного напряженного состояния. Горный проблемноаналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. 2003, № с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------

Чирков С.Е. - доктор технических наук, профессор ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, Чирков П.В. - студент, Московский государственный горный университет.

-------------------------------------- © В.К. Угольников, Д.Б. Симаков,

2004

УДК 658.26/622.271

В.К. Угольников, Д.Б. Симаков

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Семинар № 3

Современные открытые горные работы и комплексы по переработке руд характеризуются большими масштабами и мощностью используемого оборудования.

В настоящее время наиболее разработаны задачи календарного планирования и значительно хуже - оперативного управления и оптимизации технологических процессов и производства в целом. Сложность вывода этих задач на уровень автоматизированного управления основными технологическими процессами заключается в отсутствии простых и достаточно надежных критериев их оптимизации. Многообразие показателей является главным фактором, препятствующим разработке и возданию систем автоматизирован-

ного управления технологическими процессами и производством. Идеальным вариантом решения проблемы можно считать такой, при котором управление технологическими процессами добычи и переработки горной массы проводится с использованием единого критерия оптимизации.

В качестве такого универсального критерия могут быть приняты показатели удельных энергозатрат по основным процессам [1]. Преимущества использования этих показателей заключаются в следующем.

Удельная энергоемкость является мерой сопротивляемости руды или породы разрушению в процессах бурения, взрывания, дробления и измельчения и копанию в процессе экскавации. За-