Развитие методов оценки физико-механических свойств горных пород в массиве для геомеханического обеспечения открытой угледобычи

Так, при Р₂ = 0,2 МПа, q = 0 и Р₂^' = 0,37 МПа, q^' = 0,02 МПа получим значения ц = 13,5 и с = 0,02 МПа. Для других условий, например, при Р₂ = 0,45 МПа, q = 0,035 и Р₂^' = 0,52 МПа, q^' = 0,05 МПа получаются значения ц = 17,5 и с = 0,022 МПа. Как видно, увеличение пригрузки q во втором случае, по сравнению с первым, приводит к увеличению ц с 13,5 до 17,5 при почти неизменных значениях сцепления с = 0,02ч0,022 МПа. Таким образом, влияние увеличения пригрузки q проявляется одинаково как в контактном слое «образец - основание», так и в массиве пород.

Значения ц и с в контактном слое и в массиве по величине явно несопоставимы: значения ц и с, установленные по зависимостям теории предельного состояния грунта, отражают не свойства породы, а особенности расчетной модели, использованной для приведенной выше зависимости. Применять таким способом полученные значения ц и с для расчета устойчивости массивов горных пород, насыпей некорректно, поскольку полученные на основании упомянутой теории значения ц и с не согласуются с прямыми испытаниями породы на срез.

В натурных условиях отвалов «Восточный» и «Внутренний» с помощью установки № 1 и № 2 была исследована сжимаемость отвальных пород во взаимно-перпендикулярных направлениях. Показатель деформационной анизотропии отвальных пород а = Е_z/E_x (Е_z и E_x - модули деформации пород в вертикальном и горизонтальном направлениях) в проведенных опытах изменялся в диапазоне 0,8-3,2. Степень и характер деформационной анизотропии отвальных пород в разных точках отвалов оказались весьма различными. Таким образом, применение изотропной модели для расчетов массивов отвальных пород, обладающих деформационной анизотропией, может привести к ошибочным результатам. В этой связи требуется экспериментальная оценка изотропности деформационных свойств пород на разных этапах формирования отвалов. Такая проверка и была реализована в рамках разработанной системы геомониторинга. горная порода геомониторинг

Результаты проведенных работ по контролю и оценке свойств горных пород были использованы при составлении «РУКОВОДЯЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ» (Параметры формирования отвалов «Восточный» и «Внутренний» на разрезе «Уртуйский»), утвержденные Читинским округом Госгортехнадзора РФ и разработке проекта по развитию горных работ разреза «Уртуйский» до 2010 г., принятые к реализации руководством предприятия.

Четвертое защищаемое положение. Проведенный в работе анализ состояния вопроса методологии изучения физико-механических свойств горных пород в массиве в процессе отработки месторождения показал, что существующие подходы нуждаются в дальнейшем развитии и совершенствовании. Прежде всего, это относится к выбору методов и технических средств определения показателей механических свойств пород на разных этапах открытой угледобычи с оценкой геомеханической обоснованности их применения в различных горно-геологических условиях с учетом природно-техногенных факторов. В основу предлагаемой методологии исследований при решении проблемы выбора и обоснования методов и технических средств изучения физико-механических свойств пород в массиве положен комплексных подход, включающий лабораторное, стендовое и аналитическое изучение пород и породных массивов с проверкой правомерности применения расчетно-теоретических моделей.

Для реализации предлагаемого подхода необходимо было установить общие закономерности геомеханических процессов в изучаемых породах; получить зависимости «напряжения - деформации» и «параметры механических свойств пород - напряженное состояние» в лабораторных и стендовых условиях; оценить напряженно-деформированное состояние природных и техногенных породных массивов, отражающее особенности горно-геологических условий месторождений Забайкальского края.

В этой связи были проведены: компрессионные, а также стабилометрические исследования глинистых и песчаных пород; опыты с песчаными породами в условиях трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния; исследования песчанно-глинистых породных массивов в стендовых условиях; аналитическое и экспериментальное изучение напряженно-деформированного состояния породных массивов в стендовых и натурных условиях.

Для количественного описания деформируемости исследованных нескальных пород был принят единый подход, заключающийся в использовании обобщенной характеристики - модуля деформации Е_у (у, о) = Ду₁/Де₁ в зависимости от изменения величины главного напряжения у₁ и отношений о=у₃/у₁; о₁=у₂/у₁; Де₁ - приращение относительных деформаций породного образца при изменении вертикальных напряжений у₁ на величину Ду₁.

Лабораторные испытания песчано-глинистых пород в условиях компрессии, осесимметричного и неравнокомпонентного напряженных состояний.

С целью выявления зависимостей между параметрами деформационных свойств пород и величинами у₁, о и о₁ в лабораторных условиях были проведены исследования сжимаемости мелких и гравелистых песков, суглинков различной влажности, глин и супесей. Результаты экспериментальных исследований пород позволили заключить, что изменения деформационных характеристик различных пород в условиях компрессионного сжатия описываются разными закономерностями, причем для структурно-неустойчивых пород они могут быть различными и в процессе увеличения нагрузки; деформационная характеристика Е_у исследованных пород в условиях осесимметричного и неравнокомпонентного напряженных состояний закономерно уменьшается при снижении главного напряжения у₁ и увеличений б = у₁ / у₃; и б₁ = у_1/ у₂ (б = 1/ о).

В большинстве случаев напряженное состояние массивов горных пород, в том числе и отвальных, не является осесимметричным, поэтому для расчета их деформаций необходимо иметь сведения о величинах и характере изменения параметров механических свойств пород в случае сложного напряженного состояния. Эти данные позволяют также оценить степень погрешности расчетов при использовании в общем случае неравнокомпонентного наряженного состояния показателей деформационных свойств горных пород, установленных в условиях осесимметричного загружения породного образца, например, в приборах реализующих систему геомониторинга. С этой целью были проведены эксперименты с образцами песчаных пород в приборе трехосного сжатия с независимым регулированием величин главных напряжений. Были получены данные, после обработки и осреднения которых для фиксированных значений о = у₃/у₁ и о₁= у₂ /у₁ построены графики изменения относительных деформаций е_i породного образца по направлению действия каждого из главных напряжений у_і (і = 1, 2, 3); у₁ ? у₂ ? у₃ в условиях плоской деформации, осесимметричного и неравнокомпонентного напряженных состояний, описываемые параболическими и гиперболическими функциями. Варьируя значения у_1, о и о₁ с целью наиболее полного воспроизведения условий протекания геомеханических процессов в породном массиве были установлены закономерности изменения деформационных свойств песчаных пород (рис. 3).

В связи с тем, что деформационные характеристики исследованных пород при крайних значениях начальной плотности зависят от величины и соотношения действующих напряжений, можно предположить, что исследуемые породы обладают аналогичными свойствами и на всем возможном диапазоне изменения плотности. Такой подход позволил использовать полученные результаты и зависимости при выборе и обосновании методик и технических средств оценки физико-механических пород в системе геомониторинга.

Стендовые исследования показателей механических свойств песчано-глинистых пород в массивах. Для подтверждения полученных в лабораторных условиях закономерностей изменения деформационных свойств горных пород нами проведена серия опытов на модели искусственно сформированного породного массива, нагруженного штампами. В опытах использовались жесткие металлические штампы, имитирующие опорные элементы горнотранспортного оборудования, шириной 0,3 м и длиной 0,3; 0,75 и 1,5 м; использовался также штамп размером 0,7х0,7 м. Испытания проводились в стендовых условиях-лотках с размерами 2,2х1,6х1,5м и 3,0х3,0х2,5 м.

Напряжения и деформации, измеренные в различных точках массива при возрастающей нагрузке, позволили вычислить значения модуля и коэффициента относительной поперечной деформации пород и оценить степень погрешности применения положений используемых на практике расчетно-теоретических моделей, например, теории линейно-деформируемой изотропной среды, к расчетам породных массивов, сложенных исследованными нами разновидностями пород.

Полученные опытные данные позволили также установить некоторые характеристики пород, используемые теорией малых упруго-пластических деформаций, в частности, показатели вида напряженного м_у и деформированного м_е состояний исследованных породных массивов. Например, в условиях плоской деформации породного массива вид напряженного (деформированного) состояния в различных его точках различен и изменяется в процессе возрастания нагрузки. Заметно несовпадение по величине значений м_у и м_е, т.е. напряженное и деформированное состояния неподобны, причем степень неподобия с глубиной уменьшается.

Рис. 3.

Аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния породных массивов. В результате исследования установлены характерные особенности механического поведения пород, позволившие оценить степень схематизации их свойств некоторыми используемыми расчетно-теоретическими моделями и взаимно увязать форму представления результатов определения показателей прочности и деформируемости пород, применяемые методы и требования, предъявляемые моделями к реализуемым ими характеристикам породы.

Был произведен конечноэлементный анализ напряженно-деформированного состояния породных массивов в процессе упругопластической работы пород. Применение модели упруго-идеально-пластической среды позволило использовать общепринятые параметры физико-механических свойств пород и описать напряженно-деформированное состояние массива во всем возможном диапазоне его нагружения, как например, описание всей кривой «нагрузка-деформации» штампового испытания породного массива.

В первой серии расчетов устойчивости отвала «Восточный» были приняты два варианта сочетания значений ц и с, соответствующие показателям прочности пород, полученных в рамках разработанной системы геомониторинга. Следствием увеличения сцепления во втором варианте является отсутствие в массиве отвала областей пластических деформаций. Характер распределения компонентов напряженного состояния в качественном отношении для рассмотренных двух случаев одинаков.

Во второй серии расчетов было проведено исследование количественного влияния параметров ц, с и Е на напряженное состояние неоднородного отвального массива. Расчет н.д.с. отвала выполнялся рассмотренным выше методом. Проведенный анализ касался влияния упомянутых параметров свойств отвальных пород на устойчивость отвала при различных способах его формирования. Был исследован характер изменения в массиве горизонтальных напряжений у_х., как наименее изученного компонента напряженного состояния отвалов.

Третьим этапом аналитической оценки н.д.с. отвалов были расчеты при увеличении высоты насыпных массивов до 45 м.

Области пластических деформаций и разрушения отвальных пород отвала с уменьшенной характеристикой прочности с = 26 кН/м² имеют значительно большие размеры, чем в отвалах с более прочной породой (с = 60 кН/м²). Значительно больше и размеры пластических областей и у основания откоса; для обеспечения устойчивости этой части откоса в данном случае ее пришлось бы сделать более пологой.

Характер напряженно-деформированного состояния исследованных отвалов оценивался эпюрами вертикальных у_z и горизонтальных у_х напряжений и отношениями главных напряжений у₃/у₁. Этими отношениями косвенно оценивалась степень приближения напряженного состояния материала отвала к предельному по прочности.

Экспериментальная оценка напряженного состояния насыпных массивов горных пород. Результаты прямых измерений напряжений в породном массиве заслуживают доверия лишь при использовании регистрирующих приборов - мессдоз с заранее известной и учитываемой экспериментатором ошибкой измерения. Экспериментальное изучение напряжений в породной среде связано с необходимостью преодоления многочисленных трудностей, обусловленных, прежде всего, изменяющимися показателями свойств нескальных пород.

В экспериментальных исследованиях, выполненных нами, применялись мессдозы двух типов, сконструированные и выполненные с учетом специфики измерения возрастающих напряжений в стендовых и натурных условиях при квазистатическом характере приложения нагрузки. Первый тип мессдозы представляет собой мембранный датчик цилиндрической формы, диаметром 3,5 • 10^-2 м и высотой 0,5 • 10^-2 м с параллельным перемещением мембран. Для изучения поведения такой мессдозы в условиях сложного напряженного состояния нами был изготовлен прибор трехосного сжатия образца породы с возможностью независимого регулирования каждого из трех главных напряжений и создания условий близких к тем, которые возникают при измерении напряжения в породном массиве (формирование области концентрации напряжения вокруг мессдозы).

В опытах использовался среднезернистый песок с плотностью с = 1,8 т/м³ (максимально уплотненный) и р = 1,57 т/м³ (рыхлый). Эти же значения характеризовали плотность сложения песчаного массива в стендовых условиях.

Испытания породных образцов, находящихся в сложном напряженном состоянии, позволили установить, что применявшиеся нами мессдозы активно реагируют на изменение вида напряженного состояния, оцениваемого соотношениями о и о_1.

Для проверки возможности измерения напряжений, действующих в массиве по различным направлениям, в приборе трехосного сжатия фиксировались показания мессдоз, измеряющих вертикальные, горизонтальные и наклонные (45 °) напряжения.

Из полученных результатов следует, что коэффициент вариации показаний различно ориентированной мессдозы, расположенной в плотном песке, при о = 0,8 и о = 0,2 составляет 7-10 %, в рыхлом песке - 10-12 % соответственно. Надежность показаний исследованных нами мессдоз проверялась по степени расхождения известной из теории напряжений зависимости у₁ - у₃ = 2 у_н, где у_н - напряжение, равно-наклоненное к направлениям действия напряжений у₁ и у₃. Кроме того, этими же исследованиями проверено выполнение уравнений статического равновесия части массива грунта с моделью опорных элементов горнотранспортного оборудования (по площади эпюр у_z на различных горизонтальных уровнях как под подошвой модели, так и ниже нее). Оба упомянутых условия выполнены с достаточной точностью.

Полученные данные позволили произвести расшифровку показаний мессдозы при изучении напряженного состояния в породных массивах, сформированных в стендовых условиях с учетом его изменения вокруг мессдозы, что повысило достоверность результатов измерения напряжения в сравнении с традиционными методиками. Результатом проведенных исследований явилась новая методика градуировки мессдоз и рекомендации по их использованию в условиях переменного напряженного состояния техногенных массивов.

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния насыпных массивов горных пород, находящихся под воздействием нагрузки, состояли из четырех серий опытов: в стендовых и натурных условиях.

Первая серия опытов с использованием плотного и рыхлого песка выполнялась в лотке с размерами в плане 2,2 х 1,6 м и высотой 1,5 м. Для имитации опорных элементов горнотранспортного оборудования применялись жесткие штампы размером 0,3 х 0,3 м; 0,3 х 0,75 м; 0,3 х 1,5 м (№№ 1, 2 и 3 соответственно). Для измерения компонент напряжений применялись исследованные нами тензометрические мессдозы первого типа. Послойные вертикальные деформации вычислялись по перемещениям марок диаметром 3,5 • 10^-2 м, установленных вдоль центральной вертикали штампов и соединенных струнами с прогибомерами.

Вторая серия аналогичных опытов проведена с плотным песком в лотке с размерами в плане 3 х 3 м высотой 2,5 м; использовались штампы размером 0,3 х 0,3 м; 0,7 х 0,7 м и 0,3 х 1,5 м. Три компоненты линейных деформаций в этом случае измерялись деформометрами конструкции Новочеркасского политехнического института в сочетании с прибором ЦТМ-5; диаметр рабочих пластин деформометров -3,5 • 10^-2 м, база -2,5 • 10^-2 м. С целью уточнения результатов опытов первой серии мессдозы и деформометры во второй серии опытов располагались между точками установки измерительных приборов в первой серии.

Лотки в каждом опыте заполнялись песком средней крупности, послойно уплотненным вибратором или же свободно отсыпанным, с плотностью породы в первом случае 1,76 т/м³, во втором - 1,56 т/м³.

Эпюры полученных главных напряжений у₁ в основании каждого из штампов, использованных в первой серии опытов, в исследованном диапазоне внешней нагрузки имеют на глубине h?(0,50-0,65) в четко выраженный максимум; в - ширина штампа.

Обобщая полученные опытные данные, можно сказать, что исследованные вдоль центральной вертикали штампов напряжения у₁ превышают установленные по теории линейно-деформируемой среды для нагрузки, передаваемой жестким штампом, в среднем до 50 %. Измеренные напряжения у₁ в рассматриваемом случае как плотного, так и рыхлого основания могут быть вычислены по зависимостям у₁=у₁^т · K_у, где у₁^т - напряжения, устанавливаемые по теории линейно-деформируемой среды при равномерно распределенной нагрузке; K_у = а_о+b_о · sin(рz₁/d_о), где а_o, b_o, d_o - параметры определенные опытом, z₁ =z/b - относительное заглубление точки. Горизонтальные напряжения у₃ в исследованной породе под полосовым и у₃ = у₂ под квадратными штампами, начиная с некоторой глубины, также превышают вычисленные по теории линейно-деформируемой среды (в среднем до 180 %); в рассматриваемых условиях они аппроксимированы полиномом у₃ = о^ґ · у₁ = (a₁+b₁z₁+c₁z₁²+d₁z₁³+e₁z₁⁴) у₁, где a₁ - e₁ - параметры, определенные опытом; z₁ = z/b. Для иных условий параметры, а возможно и вид аппроксимирующих функций могут быть иными.

Степень приближения напряженного состояния породы к предельному в точках, где измерялись напряжения, оценивалась величиной угла наибольшего отклонения и_max, вычисленного по полученным значениям компонент напряжений. Во всех случаях при увеличении нагрузки угол и_max увеличивался. Под каждым из штампов на глубине h = (0,8-l,0) b эпюры и_max имеют максимум: напряженное состояние здесь наиболее близко к предельному. Зависимость угла наибольшего отклонения от относительной глубины массива (приведенные к ширине опорного элемента) наиболее адекватно описывается параболической функцией, отражающий процесс изменения напряженного состояния массива вдоль центральной вертикали опорного элемента. Таким образом, в техногенных массивах были выделены зоны, находящиеся в допредельном и предельном состояниях. Это, в свою очередь позволило обосновать применение характерных особенностей исследованного переменного напряженного состояния в приборах трехосного сжатия для оценки деформационных свойств пород.

В процессе увеличения внешней нагрузки происходит трансформация эпюр вертикальных е₁ и горизонтальных е₃ деформаций песчаного массива.

Контроль точности измерения е₁ осуществлен сравнением измеренных перемещений S штампов с результатами суммирования послойных деформаций основания. При малых нагрузках р на штамп (близких к расчетному давлению R) эти значения практически совпадали, а при последних ступенях отличались на 5-12 %. Графики зависимости е₁ - p для всех точек плотного и рыхлого основания штампов №№ 1-4 были нелинейны.

Третья серия опытов была реализована с помощью испытательного стенда, разработанного и изготовленного в Читинском политехническом институте. Стенд состоял из 11 силовых рам, установленных на расстоянии равном одному метру друг от друга, настила, силовых балок и связей. Длина стенда составляла 10 м, его ширина 3 м.

Перед началом испытаний настил стенда устанавливался в исходное горизонтальное положение. На поверхности настила формировалась насыпь высотой 1,0-1,5 м из песчаных пород. Для передачи нагрузки на насыпь использовались металлические жесткие штампы, имитирующие опорные элементы горнотранспортного оборудования. Нагрузка на штампы создавалась при помощи гидродомкратов. В тело насыпи устанавливались тензорезисторные преобразователи давления (ПД) типа ПДП-70/11 конструкции ЦНИИСК (мессдозы второго типа). Для учета погрешностей ПД до и после испытаний в насыпи, производилась их породная и гидравлическая градуировки в баках-одометрах и стабилометрах.

Полученные результаты измерения компонент нормальных напряжений в теле нагруженной насыпи не выявили каких-либо принципиальных отличий от результатов І и ІІ серий опытов. Дополнительно исследовалось влияние факторов системы «объект - насыпь - слабое основание» в процессе их взаимодействия.

Четвертая серия опытов (опытно-промышленный эксперимент) по изучению н.д.с. насыпей заключалась в том, что в отдельных точках отвала «Восточный» Уртуйского угольного разреза нами были измерены вертикальные и горизонтальные напряжения.

Измерения проводились с использованием мессдоз (преобразователей) второго типа. Всего было использовано 11 мессдоз, установленных в 8 точках внутри отвала в процессе его формирования.

Сравнение измеренных и рассчитанных с применением модели упруго-идеально-пластической среды значений напряжений, показало, что упомянутая модель в условиях проведенного эксперимента с использованием полученных в опытах значений механических свойств пород, удовлетворительно оценивает напряженное состояние исследованного отвала.

Полученные результаты позволили сформулировать следующие выводы:

1. Исследованные образцы и массивы песчано-глинистых пород в лабораторно-стендовых условиях на всем диапазоне изменения внешней нагрузки обладают свойствами нелинейной деформируемости, неоднородности и анизотропии, характер которых не остается постоянным в процессе увеличения нагрузки; физические зависимости между напряжениями и деформациями должны учитывать, кроме того, последовательность увеличения внешней нагрузки (историю нагружения массива). Значения показателей деформационных свойств исследованных пород изменяются в зависимости от уровня и соотношения главных напряжений, что не отвечает понятию этих величин как параметров применяемой в практике геомеханических расчетов устойчивости массивов нескальных пород модели линейно-деформируемой среды и может явиться причиной ошибок при реализации традиционных подходов в выборе методов и технических средств оценки свойств пород в массиве.

2. Представляется возможным выделение областей технологического воздействия на массив отвальных пород, например по вертикальной оси симметрии опорных элементов горнотранспортного оборудования, где в отличие от неупорядоченной неоднородности деформационных свойств пород, вызванной валовым процессом отвалообразования, возникает неоднородность упорядоченная, при которой свойства породы становятся детерменированными функциями координат точки её изучения с соответствующим уровнем и соотношением величин главных напряжений. Такой подход позволяет произвести обоснованный выбор для системы геомониторинга расчетно-теоретической модели, аналитических зависимостей, методов и технических средств оценки свойств пород в массивах.

3. В системе геомониторинга должно найти отражение комплексное применение последовательно реализуемых лабораторных и стендовых исследований горных пород, экспериментальное и аналитическое моделирование геомеханических процессов в массиве и натурное определение параметров прочности и деформируемости, объединенных в единый замкнутый цикл, что позволяет произвести оценку допустимой надежности геомеханического обеспечения этапов открытой угледобычи. Модели массивов не учитывающие переменность показателей механических свойств пород и связь с ними формы и положения вероятной поверхности разрушения, возможность появления в массивах зон пластических деформаций и наличие горизонтальных напряжений существенно искажают реальное напряженное состояние горнотехнических сооружений. При этом неизбежная схематизация свойств породы в рамках упомянутых моделей приведет к ошибочному применению технических средств и методик определения параметров деформируемости и прочности пород.

4. Результатом лабораторных и стендовых исследований анизотропии механических свойств пород, параметров прочности и деформируемости, определяемых совместно в условиях переменного напряженного состояния, эффекта кольцевой пригрузки массива явились предложения по развитию методов оценки свойств пород в массиве с введением в разрабатываемые технические средства дополнительных функций.

Пятое защищаемое положение. Одной из основных причин существенного расхождения результатов прогноза деформации отвала и наблюдений является использование в расчетах параметров напряженного состояния и показателей механических свойств пород, неадекватно отражающих геомеханические процессы в отвале на разных стадиях его формирования и взаимодействия с горнотранспортным оборудованием. К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных, свидетельствующих о существенном отличии значений напряжений вдоль центральной вертикали загруженного участка массива в сравнении с результатами решений теории линейно-деформируемой среды. По данным Л.П. Загоруйко, значения напряжений, определяемые предложенным им способом, могут превышать вычисленные по формулам теории упругости до 8 раз. Нам представляется, что для надежного прогноза напряженного состояния нагруженных массивов возможны следующие варианты:

- установление общих закономерностей, позволяющих внесение корректив в аналитические зависимости, описывающие распределение всех компонент напряжений в массиве, например, методами теории упругости;

- определение компонент напряжений численными методами, например, путем решения упруго-идеально пластической задачи;

- установление индивидуальных закономерностей распределения напряжений в отвальных породах опытным путем.

Проведенные автором исследования всех трех вариантов позволили сделать заключение, что последний вариант (прямое измерение напряжений в натурных и стендовых условиях при соответствующем метрологическом обеспечении), несмотря на достаточно высокую трудоемкость и, соответственно, стоимость, является наиболее надежным (эталонным) способом, учитывающим особенности исследуемых отвальных пород, характер формирования отвалов, их нагружение и т.п.

Существующие инструкции и методические указания рекомендуют использовать значения характеристик сжимаемости отвальных пород, установленные как натурными, так и лабораторными методами.

Технические возможности многофункциональные установки № 2 позволили проводить испытания отвальных пород в условиях компрессии и с помощью штампов в двух направлениях, причем компрессионное сжатие пород было реализовано в двух вариантах. В первом случае использовалась традиционная схема, когда кольцо с диаметром 0,22 м заполнялось породой и устанавливалось на несжимаемом основании (стальная плита). Второй вариант испытаний характеризовался схемой, когда в условиях невозможности бокового расширения основанием выделенной без изъятия из массива и заключенной в кольцо призмы породы является массив отвальных пород. При этом реализация принципа неоднозначного функционирования узлов установки № 2 позволила определить значения прочностных свойств породы непосредственно в месте определения ее параметров деформируемости по методике одноплоскостного среза и оценить степень анизотропии деформационных свойств пород с помощью нагружения штампов во взаимно-перпендикулярных направлениях.

Автором установлены закономерности изменения параметров сжимаемости пород адекватно отражающих процесс деформирования техногенного массива от основных влияющих факторов: главного напряжения у₁, соотношений главных напряжений о=у₃/у₁, о₁=у₂/у₁, (б = 1/о, б₁ = 1/о₁), характеризующих диапазон изменения деформационных свойств пород, глубины расположения точек центральной вертикали опорных элементов горнотранспортного оборудования и уровня нагрузки, передаваемой ими и собственным весом пород. В случае осесимметричного напряженного состояния процесс наиболее адекватно описывается в проекциях на плоскости Е - б и Е - у показательными и линейными зависимостями (рис. 4). В случае объемного напряженного состояния о ? о₁ рассматриваемый деформационный процесс (см. рис. 3) может быть описан в проекциях на плоскости Е - о и Е - о₁ показательными и полиномиальными функциями.

Для практической реализации полученных результатов исследований предлагается в расчетах осадок горнотранспортного оборудования при его работе на отвалах использовать две методики определения деформационных свойств пород. Первая методика заключается в определении параметра сжимаемости пород Е с помощью уравнения Е_у = Е_к (б_п-б)/(б_п-б_к), где Е_к=Е_к(у₁) - значения Е_у в условиях компрессионного сжатия пород; б_п, б_к, б - значения отношений у₁/у₃(б_i =1/о_i) в предельном по прочности состояния образца, в условиях компрессии и в общем случае напряженного состояния соответственно. Для установления значения б_п можно воспользоваться наиболее часто употребляемым на практике условием прочности Кулона-Мора для связных пород a_n = (1+sinц)/(1-sinц-2c cos ц/у₁) и для несвязных пород a_n = (1 + sin ц) / (1 - sin ц).

Рис. 4.

Вторая методика исследований механических свойств песчано-глинистых отвальных пород основана на прямом учете функциональной зависимости их деформационных характеристик от уровня действующих в отвале напряжений и их соотношений. Особенности методики определения показателей упомянутых свойств заключаются в следующем:

- применение в опытах бака-стабилометра с размерами рабочей камеры, допускающими испытания нескальных отвальных пород с крупными включениями. Такой бак-стабилометр с диаметром рабочей камеры 500 мм, установленный на транспортном средстве, был использован нами в опытах с песчано-глинистыми породами. Задание величин вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений осуществлялось в соответствии с установленными особенностями напряженного состояния породного массива;

- задание в условиях бака-стабилометра отношения вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений, соответствующих предельному состоянию породы. В этом случае, используя известные зависимости Кулона-Мора, становится возможным определение прочностных свойств испытуемых пород - ц и с. Основным результатом исследований является получение экспериментальных зависимостей вида Е = f(у₁; б=у₁/у_2; у₂=у₃) для каждого вида отвальных пород и их смесей с последующей аппроксимацией. Следует отметить, что в первой методике процесс деформирования (изменение модуля деформации) исследованных пород в условиях переменного напряженного состояния предложено описать единой зависимостью. По сути, речь идет о линеаризации графика зависимости модуля деформации от отношения главных напряжений, соответствующим таковым в реальных условиях отвала, компрессии и предельного состояния породы.

Предлагаемая во второй методике схема определения деформационных свойств отвальных пород в условиях их ограниченного бокового расширения более точно учитывает особенности их изменения в зависимости от трансформации н.д.с. отвалов, отраженные нелинейными функциями. В результате экспериментальных исследований были получены зависимости Е_у = f(у; б) для трех видов горных пород. Если для глинистых пород рассматриваемые зависимости качественно одинаковые, то для песчаных пород графики имеют различие. В количественном отношении для тугопластичного суглинка со степенью влажности G = 0,74 зависимость Е_у = f(у₁; б) имеет вид Е_у = 1,17 + (1,29/ у₁) - (0,14 + (0,54/ у₁)) • ln(б).

Для супеси со степенью влажности G = 0,52 аппроксимация результатов эксперимента позволила получить следующую зависимость Е = 25,37 + 83,13 • у₁ - (1 / (0,06 - 0,09• у₁) • ln(б).

Для песчаных пород были получены графические зависимости Е_у = f(у₁ ; б), свидетельствующие о закономерном уменьшении Е_у с ростом б. Не вызывает сомнения тот факт, что для других литологических разностей отвальных пород параметры и вид аппроксимирующих функций может быть иным. Преимущества предлагаемой второй методики заключаются в возможности:

- учета влияния переменного напряженного состояния нагруженного массива отвальных пород на их деформационные свойства в условиях опытно-промыш-ленных экспериментов;

- испытания пород непосредственно на отвалах; тем самым исключается необходимость искусственного составления смесей пород в лабораторных условиях и моделирование их физического состояния;

- прямого использования полученных результатов в расчетах осадок горнотранспортного оборудования;

- получения параметров второй группы механических свойств - прочностных в условиях изменяемого напряженного состояния.

Последующие расчеты осадок горнотранспортного оборудования, реализующие первую и вторую методики определения деформационных свойств пород, выполнялись в такой последовательности:

- производится разбивка отвала на расчетные слои h_і ;

- в середине каждого слоя h_і на вертикальной оси симметрии, например, базы экскаватора, определяют расчетом значения вертикальных ₁^п и горизонтальных напряжений ₂^п = ₃^п _,вызванных собственным весом пород и ₁^э , ₂^э = ₃^э от веса экскаватора. Вычисление напряжений ₁^э и ₂^э может быть произведено на основе решений теории упругости, например, с применением формул и графиков из монографии В.А. Флорина при соответствующем обосновании такого подхода, либо с учетом особенностей распределения напряжения в конкретном массиве отвальных пород, полученных опытным путем;

- напряжения ₁^э и ₂^э добавляются к напряжениям ₁^п и ₂^п и вычисляются отношения б_i этих суммарных напряжений;

- для каждого слоя h_і определяют значения б_п и б_к. Под б_п подразумевается соотношение главных напряжений ₁^п + ₁^э /₂^п + ₂^э , соответствующее предельному состоянию породы. Значение б_к = (1 - µ) / µ соответствует условиям компрессионных испытаний отвальных пород, где µ - коэффициент Пуассона;

- для каждого слоя h_і вычисляются коэффициенты K_i, учитывающие степень приближения напряженного состояния породы к предельному: К = (б_{п -} б)/(б_{п -} б_к);

- для каждого слоя h_і с учетом специфики складируемых вскрышных пород, технологий формирования отвала и давлений от собственного веса пород отвала и экскаватора определяется компрессионный модуль деформации Е_км (коэффициент сжимаемости) согласно предлагаемым выше методикам;

- в каждом слое h_і определяется модуль деформации породы, учитывающий изменение напряженного состояния отвала вдоль центральной вертикали загруженной площадки по формуле Е_i = Е_кмi * К_i;

- производится расчет осадки каждого слоя h_і с использованием переменного модуля деформации Е_i по стандартным формулам метода послойного суммирования. Аналогичный подход был применен к расчету осадок отвалов только от собственного веса пород (самоуплотнение) и их оснований, сложенных сильносжимаемыми породами. При этом стало возможным учитывать влияние на напряженное состояние основания отвала и, соответственно, на деформационные свойства пород, стадийность и характер его формирования.

Вторая методика определения деформационных свойств отвальных пород реализуется в рассматриваемом выше расчете осадок путем прямого использования графических или аналитических зависимостей Е_у = f(у₁; б), полученных экспериментально с помощью бака-стабилометра.

Следующим этапом развития рассматриваемого метода расчета осадок было использование зависимостей, отраженных на рис. 4. Особенностью такого подхода являлась необходимость надежного обоснования граничных условий в виде интервалов значений б_i - б_i+1 и у_i - у_i+1 на основе учета физического и напряженного состояний массива.

Для оценки надежности полученных результатов расчета осадок отвальных пород предлагается новый подход, основанный на установленных зависимостях осадок от «погрешностей» определения деформационных свойств отвальных пород и напряжений вдоль центральной вертикали загруженной площадки. Идея такого подхода состоит в следующем. Постановка задачи предполагает, что истинные значения параметров деформационных свойств пород и напряжений, вызванных нагрузкой от экскаватора неизвестны. Имеющиеся методы оценки точности упомянутых параметров основаны на сопоставлении сведений, полученных при изысканиях и исследованиях, с каким-либо из «заменителей» истинных сведений, определяемых, например, по ограниченной выборке усредняемых статистических повторений. Поэтому в рассматриваемом подходе любой параметр, например, деформационных свойств отвальных пород, оценивается его средним значением и вариацией результатов испытаний относительно этой средней величины.

Основным расчетным показателем проходимости экскаватора является его осадка, которая может быть вычислена по стандартному методу послойного суммирования. Продифференцировав формулу расчета осадок в соответствии с правилами теории погрешностей измерений, получим выражение для вычисления погрешности осадок экскаватора ?S для m слоев породы. Зная значение погрешности осадки экскаватора, и полагая, что распределение вероятностей погрешностей подчиняется нормальному закону, можно определить вероятность выхода полученных расчетных осадок за установленный предел.

Практическая реализация рассматриваемой методики заключается в следующем:

- на основании опытных данных о величине модуля деформации отвальных пород устанавливают диапазон ее изменения и находят среднее значение модуля Е;

- вычисляют его среднее квадратическое отклонение;

- определяют коэффициент вариации рассматриваемой характеристики

- вычисляют вероятность выхода расчетных осадок за установленный предел;

- сравнивают полученный результат с требуемым уровнем геотехнического риска.

Установлено, что характер совместного влияния на расчетную величину осадки «погрешностей» определения модуля деформации и одного из компонентов напряженного состояния ₁ неоднозначен и изменяется по глубине отвала. В рассмотренных условиях с учетом значений экспериментально определенных напряжений большая часть «погрешности» при расчете осадок экскаватора в зоне максимальных напряжений (от 0,2 до 1 приведенной глубины h/R - для базы или 2h/в - для лыж) приходится на «погрешность» определения напряжений в породе (~ 72 %) и только около 30 % приходится на «погрешность» определения модуля деформации. С увеличением глубины доля «погрешности» от модуля деформации увеличивается, однако резко снижается и сама «погрешность» определения осадок расчетного слоя. Для практического использования были получены графические зависимости «погрешности» расчетных величин осадок горнотранспортного оборудования при различных коэффициентах вариации модуля деформации, начиная с его нулевого значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложено решение актуальной научной проблемы, заключающейся в разработке системы геомониторинга и научно-методических основ оценки физико-механических свойств нескальных горных пород в массиве для геомеханического обеспечения процесса открытой угледобычи, что способствует достижению технико-экономической эффективности и безопасности горных работ и имеет важное народнохозяйственное значение.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Установлено, что проблема комплексной оценки физико-механических свойств горных пород на разных этапах разработки угольных месторождений до настоящего времени не получила своего разрешения. Выявлено, что отсутствуют концепция геомониторинга и принципы построения его системы, обеспечивающие совокупность сведений о свойствах пород с учетом изменяющихся условий в процессе открытых горных работ.

2. Выполнен комплекс работ, включающий теоретические и методические исследования, конструкторские разработки и опытные работы, что позволило создать систему геомониторинга процесса открытой угледобычи, а также методическую базу и технические средства, обеспечивающие эффективное применение этой системы на открытых горных работах с оценкой различия геомеханических условий этапов разработки месторождения.

3. С учетом специфики ведения открытых горных работ в Забайкальском крае предложен и научно-обоснован комплексный подход к изучению физико-механи-ческих свойств пород с использованием лабораторных, стендовых и полевых методов определения их показателей, объединенных в единый замкнутый цикл, позволяющий повысить эффективность и безопасность открытой угледобычи. Для реализации рассматриваемого подхода разработаны и усовершенствованы соответствующие методы и аппаратура, в том числе: устройство для реализации в натурных условиях метода вертикального обрушения призм; две многоцелевые полевые установки для определения прочностных и деформационных характеристик пород в зависимости от направления силового воздействия; устройство для определения механических свойств пород отвалов, основанное на учете эффекта кольцевой пригрузки; устройство для изучения фильтрационных, суффозионных и кольматационных процессов в горных породах; метод натурного определения деформационных свойств отвальных пород с оценкой их анизотропии.

4. Проведенные исследования доказали целесообразность последовательного проведения лабораторных, стендовых опытов и экспериментально-аналитического моделирования геомеханических процессов в массивах для выбора методов и технических средств изучение физико-механических свойств горных пород в массиве и проверки достоверности теоретических положений принятой модели его деформирования, что позволяет оценить надежность геомеханического обеспечения отдельных этапов открытых горных разработок.

5. Предложена и обоснована методика градуирования датчиков для измерения напряжения в техногенных массивах горных пород с учетом изменения в них вида напряженного состояния. Доказано преимущество этой методики в сравнении с традиционными способами градуирования в условиях гидравлического и компрессионного нагружений.

6. Установлено, что вертикальные напряжения в исследованных породных массивах вдоль центральной вертикали опорных элементов горнотранспортного оборудования в зависимости от вида породы и начальной плотности её сложения превышают соответствующие значения напряжений по теории линейно-деформируемой среды для случая равномерно распределенной нагрузки в среднем до 50 %. Горизонтальные напряжения, исследованные в опытах, были существенно больше (в среднем до 180 %), чем напряжения, вычисленные упомянутым теоретическим методом. При этом выделение областей массива, находящихся в допредельном и предельном состояниях, может быть осуществлено на основе определения зон концентрации напряжений и деформаций массива и анализа установленных закономерностей: параболических - для значения угла наибольшего отклонения и модуля деформации пород в зависимости от относительной глубины точки массива и логарифмической - для параметров их сжимаемости в зависимости от величины соотношения главных напряжений.

7. Получены зависимости изменения параметров прочности и деформируемости исследованных горных пород от уровня вертикальной кольцевой пригрузки породного массива и величины напорных градиентов, действующих в нем. Показано, что при достижении кольцевой пригрузкой величины 50 кПа повышение значений угла внутреннего трения и модуля деформации для песчанно-гравийных отложений и алевролитов составило 8 % и 64 %, 46 % и 62 % соответственно. При изменении значений градиентов напора от1 до 7 уменьшение угла внутреннего трения для исследованных песчано-гравийных и глинистых пород в среднем составило 43 % и 81 % соответственно.

8. Установлена возможность выявления в отвале областей упорядоченной неоднородности деформационных свойств пород, при которой параметры деформируемости породы становятся детерминированными функциями координат точки её опробования с соответствующим уровнем и соотношением главных напряжений в зависимости от нагрузки, вызываемой собственным весом пород и горнотранспортным оборудованием. На этой основе получены закономерности деформирования техногенных массивов горных пород, которые отражают процесс деформирования на всем диапазоне нагрузок и где прочностные и деформационные характеристики пород связаны между собой.

9. Установлена связь формы и координат поверхности разрушения нагруженного уступа породного массива от параметров прочности пород, причем, для угла внутреннего трения зависимость имеет линейный вид, а для сцепления - близка к гиперболической. В рамках конечноэлементного анализа напряженно-деформиро-ванного состояния массива обоснован методический подход к выявлению формы и размеров призмы обрушения на основе оценки степени приближения напряженного состояния породного массива к предельному. Реализация подхода осуществляется путем сопоставления соотношения главных напряжений у₃/у_1, полученным в каждом элементе расчетной области с аналогичным соотношением главных напряжений, соответствующим предельному состоянию породы исходя, например, из условия прочности Кулона-Мора.

10. Предложены и научно обоснованы методики прогнозирования деформаций техногенных массивов горных пород, основанные на результатах оценки их свойств в рамках разработанной системы геомониторинга и выявленных закономерностях изменения напряженно-деформированного состояния массива и показателей его механических свойств. Расчетные значения осадок горнотранспортного оборудования при его работе на отвалах оказываются сопоставимыми с наблюдаемыми (разница до 11 %), если учтена переменность деформационных характеристик породы в зависимости от изменения напряженного состояния при одновременном использовании его компонент, полученных с учетом представленных разработок.

11. Разработана комплексная методика совместной оценки надежности значений деформационных свойств пород и параметров напряженного состояния исследуемого массива. Установлен переменный по глубине характер совместного влияния «погрешностей» определения модуля деформации пород и одного из компонент напряженного состояния - ₁ на величину осадок горнотранспортного оборудования, что позволило предложить новый подход к выявлению зон, требующих особого внимания при определении параметров деформационных свойств и напряженного состояния. Для исследованного уровня нагрузок на песчано-глинистые породы зона, где максимальное влияние на осадку оказывают вертикальные напряжения, находится в интервале от 0,2 до 1 относительной глубины (приведенной к размеру опорных элементов горнотранспортного оборудования).

12. Внедрение разработанных рекомендаций, руководящих технических материалов и проекта по развитию горных работ, основывающихся на полученных в диссертационной работе результатах, позволило получить только для разреза «Уртуйский» в 2000-2009 гг. экономический эффект более 500 млн руб.

Публикации по теме диссертации

В изданиях рекомендованных ВАК

1. Бабелло В.А. Обеспечение устойчивости отвала при наращивании его высоты / В.А. Бабелло, В.А. Стетюха, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный журнал. - 2001. - № 8. - С. 10-13.

2. Бабелло В.А. Оценка устойчивости откосов отвалов вскрышных пород экспериментально-аналитическим методом / А.В. Бабелло, В.А. Стетюха, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 8. - С. 175-178.

3. Бабелло В.А. Об увеличении емкости отвалов угольного разреза «Уртуйский» / В.А. Бабелло, М.Р. Гильфанов, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // ГИАБ. - 2002. - № 11. - С. 174-175.

4. Бабелло В.А. Оценка влияния неупорядоченной отсыпки отвальных пород на устойчивость отвала «Восточный» угольного разреза «Уртуйский» / В.А. Бабелло, М.Р. Гильфанов, Ю.М. Овешников, В.Ю. Галинов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 9. - С. 198-200.