Анализ изменчивости деформационных свойств массива горных пород и возможность управления ими при различных геотехнологических процессах

АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССАХ

12 3

Гасанова Н.Ю. , Салямова К.Д. , Меликулов А.Д.

1Гасанова Надежда Юнисовна - старший преподаватель, кафедра математики, Ташкентский государственный технический университет им. И.А. Каримова;

2Салямова Клара Джаббаровна - доктор технических наук, профессор, ведущий научный

сотрудник,

Институт механики и сейсмостойкости сооружений АН Республики Узбекистан; 3Меликулов Абдусаттар Джаббарович - кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора, ООО «Спецуправление № 75», г. Ташкент, Республика Узбекистан

Аннотация: в статье анализируются актуальные вопросы деформации и разрушения массива пород при ведении горных работ, оценка изменчивости характеристик пород при различных процессах горных работ, возможности искусственного упрочнения трещиноватых пород для предотвращения локальных разрушений и обеспечения устойчивости выработок и безопасности работ. Приведены результаты расчетов с применением метода конечных элементов состояния массива вокруг горной выработки при искусственном укреплении способом цементации.

Ключевые слова: массив горных пород, геомеханика, деформация, модуль упругости, устойчивость массива, упрочнение пород.

Производство горных работ, связанное с разрушением определенной части породного массива, приводит к нарушению естественного равновесного состояния породных массивов [1,2,5,15,18]. В результате происходит перераспределение напряжений и деформаций в окрестности поверхностей обнажения (стенки выработки, борта карьера и т. д.). Иными словами, следствием нарушения естественного напряженно-деформированного состояния являются механические процессы, которые приводят к формированию нового напряженно-деформированного состояния массивов [2,3,12,16,24].

Проведение подземной горной выработки приводит к более сложным процессам перераспределения и концентрации напряжений в окружающем её массиве. Создается новое напряженное состояние, при котором чаще всего интенсивность напряжений в прилежащем массиве вокруг выработки становится намного большей, чем в естественном нетронутом массиве. Изучение закономерностей деформирования породного массива вокруг выработки позволяет прогнозировать возможные его состояния во времени после реализации механических процессов [4,7,10,20]. Сложность этой задачи обусловлена, прежде всего, большим числом влияющих факторов. В общем случае породный массив представляет собой дискретную неоднородную анизотропную среду, механические процессы деформирования в которой носят нелинейный во времени характер. Кроме инженерно-геологических факторов большое влияние оказывают технологические условия сооружения выработок и, в частности, форма и размеры выработок, их ориентация в пространстве, способ проведения и поддержания, конструкция, технология возведения крепи и др.[22,26,28,30].

Учесть влияние всех факторов при аналитическом способе изучения закономерностей процесса формирования напряженно-деформированного состояния породного массива практически невозможно. Но многолетний опыт исследований, накопленный специалистами в этой области, показывает, что при любом сочетании влияющих факторов из них могут быть выделены один-два наиболее значительных, имеющих определяющее значение для характера реализации механических процессов [11,14,17,25,29,31].

Разработке математических моделей скальных пород как изотропных, анизотропных, упругих, упругопластических или упруговязкопластических тел посвящен ряд работ [9,23]. Большое внимание в этой части уделено механическому проявлению слоистости и системной трещиноватости пород, рассматриваемых как поверхности раздела в сплошной среде [1,12,13,21].

Массивы скальных горных пород обладают широким спектром свойств, которые проявляются при любых технологических или иных возмущающих воздействиях на них [11,15,19,27,29], в том числе при наиболее распространенном способе взрывного разрушения. Особенности поведения таких массивов заключаются в сочетании характеристик твердых как упругих, так и пластических тел, включая и хрупких, и вязко-текучих тел, и ползучести.

В работах [1,8,11,12,15,22] предлагаются различные модели для решения многогранных задач формирования и изменения во времени деформационных и прочностных свойств трещиноватых породных массивов. Анализируются различные виды трещиноватости пород. В основном случае рассматривается породный массив, ослабленный системами зияющих или полых трещин, длина которых больше характерного линейного размера массива.

Если модуль деформации и коэффициент Пуассона ненарушенных горных пород, установленные по результатам испытаний породных образцов, равны соответственно Е и ( , то модуль деформации трещиноватого массива по вертикальному направлению определяется выражением [1,12]

Я± = 1+2 ?9;

Соответственно в трещиноватом массиве модуль деформации по горизонтальному направлению и коэффициент Пуассона определяются следующими

выражениями:

^ = 1+2?9г

М± II = М + 2 ™ СО5201

В работе [12] подробно рассматривается деформируемость массива, пересекаемого заполненной трещиной с углом наклона к горизонту . Если заполнитель трещины твёрдый или полутвёрдый с модулем деформации Е1 и с коэффициентом Пуассона 0,5, например заполнитель, образовавшийся в трещинах при гидротермальных процессах (кварц, кальцит, рудные минералы и т.д.) или искусственно нагнетаемые в полые трещины тампонажные материалы (при цементации, силикатизации пород), то модуль деформации породного массива по вертикальному направлению

Е ±=---дсо 5 4е

1+д (1-5т4е) +Т—г 1—д -

Для заполнителя с ^1=0,1-0,2 третьим членом в знаменателе можно пренебречь, и тогда деформируемость массива с такими полностью «залеченными» трещинами определяется по приведенным формулам с той лишь разницей, что геометрическая характеристика трещин

д. = 5;Е /

При наличии практически несжимаемого заполнителя с ^=0,5 формула преобразуется к виду

Е, =

1+2 ЦСОХ20

и для п систем трещин с углом наклона вг записывается так

Е 1 = 1 + 2Т.'ЧщС052в1 '

где следует определить по формуле (5).

Интересные данные [29] приведены по результатам исследований процессов деформирования пород в окрестностях сроящегося тоннеля диаметром 12,0 м, где коэффициент Пуассона в глубине вязко-пластического массива вне зоны влияния выработки оценивается величиной 0,2, а в зоне деформирования пород вблизи контура тоннеля коэффициент Пуассона увеличился до значений 0,35-0,40, в некоторых частях массива достиг 0,45. В некоторых условиях при действии сейсмических (импульсных) нагрузок деформационные характеристики проявляют нелинейный характер, и это свойство нелинейности выражается через модуль сдвига и коэффициент демпфирования, величина которых значительно изменяется в зависимости от амплитуды деформации сдвига при циклических нагрузках [13,16,25,27,31].

При сооружении выработок буровзрывным способом в приконтурном массиве образуется система трещин, интенсивность которых убывает по мере удаления от контура выработки [6,7,14,20]. При заполнении этих трещин тампонажным цементным раствором жесткость зацементированного массива также будет убывать от контура выработки вглубь массива. Распределение модуля деформации Е(г) зацементированного массива аппроксимируется выражением вида [1]

Е

где Е - модуль деформации незацементированного массива; а, п - безразмерные параметры аппроксимации; г - текущая радиальная координата точки массива, выраженная в единицах приведенного радиуса выработки в проходке.

Существенная роль в формировании напряженно-деформированного состояния породного массива принадлежит тектонической составляющей этих сил. На рис.1 показаны эпюры напряжений в массиве пород вокруг выработки, построенные на основе расчетов для случая, когда коэффициент бокового (тектонического) давления условно принят равным 1,38.

Рис. 1. Эпюры напряжений в массиве пород вокруг выработки: а) изолинии горизонтальных напряжений; б) изолинии вертикальных напряжений; в) изолинии касательных (тангенциальных) напряжений.

При оценке устойчивости горных пород считается, что разрушение происходит в результате сдвига одной части породы относительно другой, а предельное состояние по площадке сдвига описывается известным законом Кулона. В практике

проектирования строительства подземных сооружений для оценки допустимого уровня напряжений или прочности широко используется коэффициент запаса устойчивости, определяемый как отношение величины действующего в рассматриваемой точке касательного напряжения к величине предельного касательного напряжения.

Список литературы

1. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1982. 165 с.

2. Виттке В. Механика скальных пород. М.: Недра, 1990. 439 с.

3. Гасанова Н.Ю. Особенности процессов деформирования откосов бортов глубоких карьеров, сложенных трещиноватыми скальными породами. // Проблемы науки,

2017, № 6(19). С. 20-22. Электронный ресурс, URL http://elibrary.ru/item.asp?id=29450683.

4. Гасанова Н.Ю., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Обоснование устойчивости и прочности массивов скальных пород как фактор управления естественными и техногенными рисками.// Материалы 9-й Международной научно-практической конференции «Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире» (ГЕОРИСК-2015). Москва: РУДН, 2015. С. 82-88. Электронный ресурс, URL http://elibrary.ru/item.asp?id=24779996.

5. Гасанова Н.Ю., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Факторы изменчивости во времени прочностных и деформационных свойств скальных массивов в зоне влияния горностроительных работ. // Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Современные тенденции подготовки кадров для нефтегазовой отрасли». Атырау, Казахстан: Атырауский университет нефти и газа,

2018. С. 211-219.

6. Гасанова Н.Ю. Факторы повышения эффективности отработки глубоких карьеров. // Научный журнал, 2017, № 6(19). Том 1. С. 24-25. URL http://scientificmagazine.ru/images/PDF/19/Nauchnyj-zhurnal-6-19--1.pdf; http://scientific-publication.com; http://elibrary.ru/item.asp?id=29333703.

7. Исмаилов А.С., Меликулов А.Д., Садинов Ш.М., Султанов К.С., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. Особенности процессов длительного деформирования массивов скальных пород и их мониторинг при отработке глубоких карьеров.// Проблемы недропользования, 2016. №3(10). С. 18-23. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.03.018.

8. Меликулов А.Д., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. Моделирование процесса распространения технологического раствора в трещиноватом массиве горных пород. // Горный вестник Узбекистана, 2009. 4(39), p.47-49.

9. Меликулов А.Д., Салямова К.Д., Кайгародов В.И. Расчетная оценка состояния массива горных пород вокруг подземных выработок. // Горный вестник Узбекистана, 2009. № 2(37). С. 41-46.

10. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ. - Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2015. - 396 с.

11. Полухин В.А., Калоеров С.А., Грядущий Ю.Б., Горянская Е.С. Управление напряженным состоянием породного массива и устойчивостью горных выработок. - Донецк: Юго-Восток, 2002. - 304 с.

12. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. - М.: Недра, 1975. - 223 с.

13. Салямова К.Д., Меликулов А.Д., Гасанова Н.Ю. USTBORT.FOR. [Программа для ЭВМ]. Удостоверение № DGU 01464 о регистрации программы для ЭВМ, выдано государственным Патентным Ведомством Республики Узбекистан 04.01.2008.

14. Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Количественная оценка напряженного состояния массива вокруг подземных горных выработок при различных сочетаниях нагрузок. // Горный вестник Узбекистана, 2007. № 1(28). С. 70-74.

15.Alejano L.R., Perucho A., Olalla C., Jimenez R., eds. Rock engineering and rock mechanics: Structures in and on rock masses. - London : Taylor & Francis Group, 2014. 1536 pp. URL www.crcpress.comwww.taylorandfrancis.com

16. Aydan O. Time-dependency in rock mechanics and rock engineering. - London, UK: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2017. - 240 pp. URL www.crcpress.com -www.taylorandfrancis.com

17. Freeden W., Nashed M.Z., Sonar T., eds. Handbook of geomathematics. 2nd ed. HeidelbergNew York London: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015. - 3170 pp. DOI 10.1007/978-3-642-54551-1.

18. Galvin J.M. Ground engineering - Principles and practices for underground coal mining.

- New York Dordrecht - London: Springer International Publishing Switzerland, 2016.

- 684 pp. DOI: 10.1007/978-3-319-25005-2.

19. Gasanova N.Yu. Formation of the earthquake database for evaluation of their influence on the slope stability of deep quarries. // European science, 2017. № 6 (28), 24-26 p. URL http://scientific-publication.com; http://elibrary.ru/item.asp?id=29366867.

20. Hencher S. Practical rock mechanics. - Boca Raton London -New York: CRC Press,Taylor & Francis Group, LLC, 2015. - 346 pp. URL www.crcpress.com -www.taylorandfrancis.com.

21. Hudson J.A., Feng X.-T. Rock engineering risk. London- New York: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015. 572 pp. URL www.crcpress.com - www.taylorandfrancis.com.

22. Jaeger C. Rock mechanics and engineering. Second ed. - New York - Cambridge: Cambridge University Press, 2009. 523 pp. URL www.cambridge.org/9780521103381.

23. Matuttis H.-G., Chen J. Understanding the discrete element method. Simulation of non-spherical particles for granular and multi-body systems. - Singapore: John Wiley & Sons, 2014. - 712 pp.405 pp.

24. Peng S., Zhang J. Engineering geology for underground rocks. - New York - Paris -Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. 319 pp. URL www.springer.com

25. Shen B., Stephansson O., Rinne M. Modelling rock fracturing processes. A fracture mechanics approach using FRACOD. - Dordrecht - New York - London: Springer Science + Business Media Dordrecht, 2014. 173 pp. DOI 10.1007/978-94-007-6904-5.

26. SpathisA.T., GuptaR.N., ed. Tunneling in rock by drilling and blasting. - London- New York - Leiden: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013. - 115 pp. URL www.crcpress.com - www.taylorandfrancis.com

27. Vinciguerra S., Bernabe Y., eds. Rock physics and natural hazards. - Basel - Boston -Berlin: Birkhauser Verlag AG, 2009. - 426 pp. URL http://dnb.ddb.de

28. Wang S., Hagan P.C., Cao C. Advances in rock-support and geotechnical engineering. -Amsterdam - New York - Oxford - London: Tsinghua University Press Ltd. Published by Elsevier Inc., 2016. 410 pp. URL www.elsevier.com/permissions.

29. Wittke W. Rock mechanics based on an anisotropic jointed rock model. Berlin: Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag fur Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co., 2014. 875 pp. DOI 10.1002/978-3-433-60428-1; 10.1002/978-3-433-60431-1.

30. Yoo C., Park S.-W., Kim B., Ban H., eds. Geotechnical aspects of underground constructions in soft ground. London New York Leiden: CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, 2014. 580 pp. URL www.crcpress.com - www.taylorandfrancis.com.

31. Zhang L. Engineering properties of rocks. - Oxford: Elsevier Press, 2003. 290 pp. URL www. elsevier. com.