Розвиток наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об'ємному нерівнокомпонентному стисненні

у₁ = КгН; у₂ = у₃ = КлгН,

де гН - геостатичний тиск; Н - глибина розробки (моделювалося 800, 1500, 2000 і 3000 м); л - коефіцієнт бічного розпору, що мав значення 0,5; 0,25; 0,125; К - коефіцієнт концентрації напружень рівний 2; г - об'ємна вага вищележачих порід.

Надалі зменшувався рівень у₃ до нуля, а рівні у₁ і у₂ формувалися мимовільно за рахунок деформування зразка і реєструвалися на манометрі, тобто моделювався “перехід” деякого елементарного об'єму вугілля з недоторканої в привибійну частину пласта. Там де це було можливо, визначалася позагранична область деформування зразка.

Аналіз отриманих результатів показав наступне. При моделюванні глибин залягання пластів від 800 м до 3000 м встановлена закономірність монотонного зростання з глибиною рівнів модуля Юнга і граничної міцності вугільних зразків. Модуль об'ємного стиску вугільних зразків з ростом глибини для пл. “Андріївський” монотонно зростає, а для пл. “Піщанка” у районі 2000 м має деякий екстремум (максимум). Крива залежності модуля зсуву від глибини залягання для зразків вугілля з обох досліджуваних пластів має максимум у районі 2000 м. Максимум на глибині 2000 м відзначається і на кривій залежності модуля спаду вугільних зразків пл. “Андріївський” від глибини.

Встановлена залежність відносно енергії формозміни до повної енергії деформування вугільних зразків від глибини їхнього залягання, де в районі 2000 м спостерігається мінімум, тобто внесок енергії формозміни, затрачуваної на пластичну деформацію, у повну енергію деформування спочатку з ростом глибини від 800 м до 2000 м зменшувався, а потім від 2000 м до 3000 м став збільшуватися. Природно припустити, що з ростом глибини понад 2000 м витрати на пластичну деформацію вугілля зростають, тоді буде збільшуватися і в'язкість їхнього руйнування. Тенденція до більш в'язкого руйнування вугілля з ростом глибини їхнього залягання підтверджується також результатами оцінки коефіцієнтів крихкості, що представлені у 3-м розділі.

У результаті встановлено, що з ростом глибини залягання від 800 до 3000 м підвищуються жорсткість і гранична міцність вугілля і виявляється тенденція до більш в'язкого його руйнування.

Дослідження впливу температурних змін у породному масиві на напружено-деформований стан біля гірничих виробок, а виходить, і на їхню стійкість через зростання глибини розробки корисних копалин, а також зі створенням технологій підземного спалювання вугільних (ПСВ) пластів набувають усе більшу актуальність.

Існуючі підходи засновані на оцінці тільки напружень і пружних констант породного масиву біля виробок. Критериальні співвідношення, які оцінюють граничний стан породного масиву, що знаходиться в складному об'ємному нерівнокомпонентному напруженому стані, містять лише одноосьові характеристики - границі міцності гірських порід на одноосьові стиснення і розтягання. Одиничні експериментальні результати отримані для температур не більш 200⁰ С, що значно обмежує можливість їхнього використання в розрахункових моделях. У приведених дослідженнях не враховується найважливіша особливість гірських порід - дефектність структури.

У даній роботі зроблена спроба врахувати деякі зазначені вище недоліки. Був досліджений граничний випадок для оцінки стійкості гірничих виробок. Гірничий масив приймався пружним і ізотропним. У породах, що мають властивості пластичності, згодом температурні напруження можуть релаксувати.

У результаті рішення задачі математичної теорії тріщин і використання умови локального руйнування Г.П. Черепанова було отримано критеріальне співвідношення, що описує граничний стан породного масиву біля гірничої виробки, яке враховує багато впливових факторів, у тому числі і температурні зміни в гірничому масиві, у вигляді де - коефіцієнт лінійного розширення; , а - радіус виробки; r - відстань від центра виробки до розглянутої точки; Е - модуль Юнга; - коефіцієнт Пуассона; Т₁, Т₂ - температура відповідно стінки виробки і гірських порід; с - температуропроводність товщі гірських порід; - тривалість впливу температури; - об'ємна вага вищележачих порід; Н - глибина закладення подовжньої осі виробки від поверхні; Р - реактивний опір кріплення; Q - тиск флюїду; Г - ЕПЕ.

Температурні зміни в породному масиві будуть впливати на граничний стан біля гірничої виробки, а, отже, і на її стійкість, тільки тоді, коли породи будуть мати невеликий рівень тріщиностійкості (ЕПЕ 40 Дж/м²).

Стійкість покрівлі в привибійному просторі очисних вибоїв є визначальним чинником при виборі способу управління гірничим тиском, типу виїмочного устаткування, характеристики, схеми розташування і пересувки кріплення.

Існуючі класифікації покрівель не враховують багатьох впливаючих факторів. Найбільш істотним з них, на наш погляд, є дефектність гірських порід.

У даній роботі запропонований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі біля гірничої виробки з позиції механіки руйнування.

З використанням залежності О.О. Борисова було отримано критеріальне співвідношення для величини несучої здатності покрівлі - величини її граничного прольоту, що враховує тріщиностійкість гірських порід.

На рис.4 представлена графічна залежність величини граничного прольоту 1^*_пред від рівня тріщиностійкості порід покрівлі Г.

З графічної залежності випливає, що можна виділити три області зміни Г:

Г< 10 Дж/м², де найбільш істотний вплив Г на граничний проліт покрівлі; 10 ? Г < 50 Дж/м² - незначна зміна 1_пред від Г; Г ? 50 Дж/м² - 1_пред майже не змінюється.

У результаті запропонований і обґрунтований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок, який відрізняється тим, що вперше враховується найважливіша характеристика гірських порід - їхня тріщиностійкість (ефективна поверхнева енергія).

Даний результат, із залученням аналізу впливу потужності і стану покрівлі на її стійкість, може бути використаний для створення класифікації покрівель.

Утворена у вугільному чи породному масиві виробка (свердловина) являє собою витягнуту циліндричну порожнину, розташовану в об'ємно стиснутому крихкому середовищі. В умовах об'ємного стиснення відбуваються зміни механічних характеристик, що визначають поводження цього середовища при утворенні порожнини. Головне питання полягає в тому, як відбувається зрушення крихкого масиву навколо порожнини під дією всебічного тиску і який вплив цього процесу на його деформаційно-міцнісні характеристики.

Через відсутність у літературі чіткої єдиної картини нами проведені експериментальні дослідження на зразках. Дослідження виконані на тривісному пресі з використанням зразків вугілля і порід (аргілітів). Ставилася задача - встановити характер зсуву і руйнування матеріалу навколо циліндричної порожнини при різних співвідношеннях діаметра порожнини і потужності пласта, а також характер зміни його механічних характеристик. В експериментах відношення розмірів зразка m, що моделює потужність пласта, до діаметра отвору d, що моделює виробку (свердловину), змінювалося від 5 до 14.

За програмою навантаження (стиснення) на тривісному пресі відтворювалися напруження, що випробовували досліджуваний елементарний об'єм гірничого масиву на заданій глибині.

У результаті експериментальних досліджень встановлене наступне. Найбільш чуттєвим до процесів, що відбуваються у крихкому середовищі поблизу порожнини, виявився модуль об'ємного стиснення К (рис. 5).

Руйнування порід біля виробок (свердловин) круглого перетину відбувається в три стадії: руйнування тонкого шару по контурі порожнини; утворення горизонтального еліпса і зміщення ув'язненого в ньому матеріалу в порожнину; утворення вертикального еліпса і заповнення порожнини зруйнованим матеріалом.

При величині відносини потужності пласта до діаметра свердловин забезпечується стійкість стінок свердловин. Це відноситься до буріння свердловин у непорушених вугільних пластах і породних шарах.

Ділянки: Оа - ущільнення; ab - руйнування контуру; bс - руйнування горизонтального еліпса; cd - руйнування вертикального еліпса; de - вторинне ущільнення.

Якщо величина відносини , то вугілля і слабкі породи (типу аргілітів) можуть інтенсивно руйнуватися поблизу порожнини круглого перетину.

Найбільша стійкість стінок порожнини досягається при горизонтальному розташуванні пластів.

Отримані результати можуть бути використані для вибору й оптимізації геометричної форми і параметрів нового кріплення.

У результаті досліджень визначений вплив глибини залягання, температурних змін в гірничому масиві та інших факторів на закономірності деформування та руйнування гірських порід при об'ємному нерівнокомпонентному стисненні.

У сьомому розділі “Практичне застосування результатів досліджень і їхня реалізація” представлені результати додатка отриманих рекомендацій і висновків до рішення практичних задач і їхня реалізація.

Оскільки одним з основних напрямків діяльності ІФГП НАНУ є розробка способів прогнозу і управління станом гірничого масиву, практична реалізація основних результатів дисертаційної роботи зв'язана з зазначеним напрямком.

В ІФГП НАНУ розроблений і створений спосіб прогнозу викидонебезпечності гірських порід за їх ефективною поверхневою енергією, що є одним з нормативних. Зазначений спосіб не позбавлений деяких недоліків, що зв'язані зі складністю обчислення критичних перепадів ЕПЕ.

У результаті експериментальних досліджень було встановлено, що у викидонебезпечних зонах породного масиву екстремуми модуля пружності (чи швидкості пружних хвиль) і ЕПЕ збігаються (синфазна зміна параметрів), а в невикидонебезпечних зонах зазначені параметри змінюються в протифазі. З урахуванням результатів, представлених у другому розділі, де було встановлено ряд структурних переходів в основному породоутворюючому мінералі піщаників - кварці, наявність високотемпературних модифікацій кварцу (тридиміту, кристобаліту) при синфазній зміні ЕПЕ і модуля пружності, дозволяє уточнити спосіб прогнозу викидонебезпечності піщаників за ЕПЕ і може виступати як самостійна ознака викидонебезпечності.

Застосування удосконаленого способу прогнозу викидонебезпечності порід за ефективною поверхневою енергією на шахті ім. О.Г. Стаханова ОП “Красноармійськвугілля” показало, що даний спосіб забезпечує надійний прогноз, і дозволяє за рахунок виключення помилок другого роду одержати економічний ефект, який обумовлений зниженням обсягу застосування струсного підривання в невикидонебезпечних зонах, у сумі 42, 340 ис.грн.

Управління станом гірничого масиву ґрунтується на обробці його водяними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР) у режимі фільтрації, що забезпечує сорбційне зменшення тріщиностійкості гірських порід і вугілля під впливом ПАР (ефект Ребіндера).

На шахті “Торецька” ОП “Дзержинськвугілля” в умовах пласта l₃ - “Мазурка” у лаві 11-го блоку горизонту 810 м проведені експериментальні дослідження проявів гірничого тиску при охороні штреку вугільними ціликами і попередньою обробкою вугільного масиву водяними розчинами ПАР.

Проведені дослідження дозволили встановити наступне. До обробки вугільного масиву розчинами ПАР його напружений стан характеризувався значною неоднорідністю. Обробка вугілля розчином ПАР призводить до різкої зміни напружень у вугільному масиві - його енергетичний стан стає досить однорідним.

Виміри параметрів проявів гірничого тиску по контурних реперах дозволили встановити, що швидкості зближення покрівлі і підошви в штреку з обробкою ПАР в 2-2,3 рази нижчі, ніж на необробленій ділянці.

У результаті рішення задачі про напружено-деформований стан пластичного шару визначені параметри вугільних ціликів, оптимальних для підтримки вугільного масиву в безаварійному стані при попередньому переводі вугільного масиву в квазіізотропний стан шляхом обробки розчином ПАР. Отримані результати знайшли своє підтвердження при проведенні експериментальних досліджень.

З використанням результатів дисертаційної роботи обґрунтована і реалізована ефективна обробка крайової частини пласта водяними розчинами ПАР при відробці вугільних пластів в умовах впливу зон підвищеного гірничого тиску для шахт об'єднання “Шахтарськвугілля”, що відробляють положисті і похилі пласти “Алмазної”, “Кам'яної” і “Смоляниновської” свит.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці 4 нормативно-методичних документів, що успішно впроваджені на шахтах Донбасу.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій отримані нові науково обґрунтовані результати в області фізичних процесів гірничого виробництва шляхом одержання теоретичних і експериментальних залежностей між параметрами навантаження та фізико-механічними властивостями гірських порід, які у сукупності представляють собою розвиток наукових основ деформування і руйнування гірських порід при об'ємному навантаженні, що дозволило вирішити науково-прикладну проблему встановлення закономірностей деформування і руйнування гірських порід в умовах об'ємного стиснення, які враховують нерівнокомпонентність поля стискаючих напружень і дефектність структури, що має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові і практичні результати роботи і висновки, що випливають з них, полягають у наступному:

1. Численні експериментальні дані з руйнування порід в умовах нерівнокомпонентного тривісного стиснення свідчать про невідповідність напруженого стану деформаційному, тобто про недотримання третього закону пластичності. Ця невідповідність, зокрема, може привести до невірної інтерпретації даних щодо виміру напружень у масиві методом розвантаження і реконструкції полів напружень.

Закономірності зміни міцності й енергоємності руйнування порід при різних схемах і видах навантаження свідчать про те, що узагальнений відрив у нерівнокомпонентному полі напружень енергетично невигідний. Руйнування відбувається шляхом комбінації подовжнього і поперечного зсувів з відривом. Найменш енергоємним є узагальнений зсув.

2. Дослідженнями деформування порід за межею пружності встановлено, що параметри позаграничного стану (залишкова міцність і модуль спаду) піддані значним коливанням. Залежно від ₂ і виду напруженого стану той самий матеріал може поводитися і як розміцнюючий, і як зміцнюючий, а руйнування може бути як стійким, так і хитливим. Максимум міцності і модуля спаду спостерігається для вугілля при узагальненому зсуві ( ). Для піщаника максимум рухливий і з ростом гідростатичного тиску зміщується з області узагальненого відриву в область узагальненого стиснення.

Урахування позаграничного стану дозволило запропонувати ряд коефіцієнтів крихкості руйнування гірських порід, що мають фізичний зміст і представляють собою відношення енергії руйнування до загальної енергії деформування.

3. Аналіз неоднорідності властивостей гірського масиву дозволив запропонувати як параметр неоднорідності ефективну поверхневу енергію порід. Показано істотний вплив структурних факторів і флюїдів на ЕПЕ, відзначається ріст ступеня дроблення при газонасичені.

Водо- і газонасичення істотно зменшують тріщиностійкість гірських порід, причому вплив вологості більш значний. Водонасичення зменшує пружні властивості гірських порід і вугілля, збільшує їхні деформації і призводить до пластифікації, локалізує руйнування, яке реалізується шляхом зсуву, і змінює його до більш в'язкого. Газонасичення порід і вугілля збільшує їхні пружні характеристики, окрихчує матеріал, інтенсифікує розвиток тріщин по всьому об'ємі, а руйнування носить динамічний характер.

В умовах об'ємного нерівнокомпонентного стиснення сорбційні властивості вугілля змінюються залежно від виду напруженого стану. Найбільша зміна в структурі вугілля (зміна кількості адсорбційних центрів) відбувається в процесі його деформування при виді напруженого стану, що відповідає узагальненому зсуву.

4. Магнезіальна і карбамідна скріплюючі суміші можуть бути використані для зміцнення гірських порід в умовах зниженої температури і підвищеної вологості порід. Найбільш ефективним буде зміцнення порід магнезіальною сумішшю для умов зниженої температури, а карбамідною сумішшю для порід з підвищеним вмістом вологи.

5. У результаті фізичного моделювання на УНТС встановлено, що зі збільшенням глибини залягання вугілля зростають його пружні властивості і гранична міцність та виявляється тенденція до більш в'язкого руйнування вугілля.

Теоретично оцінений вплив температурних змін (до 800⁰ С) в гірничому масиві на граничний стан гірських порід біля виробок в залежності від їхньої тріщиностійкості (ЕПЕ). Встановлено, що при ЕПЕ 40 Дж/м² вплив незначний.

Запропонований і обґрунтований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок, у якому вперше враховується тріщиностійкість гірських порід. Стійкою покрівлею гірничої виробки буде та, породи якої мають тріщиностійкість більшу 50 Дж/м². Зазначений підхід може бути використаний для створення нової класифікації покрівель, що буде більш повно враховувати реальні властивості гірських порід.

На УНТС здійснене фізичне моделювання руйнування вугілля і слабких аргілітів на зразках з порожнинами стосовно до гірничих виробок і свердловин. Отримані дані про умови стійкості свердловин і гірничих виробок можуть бути використані для вибору й оптимізації геометричної форми і параметрів нового кріплення.

6. За рахунок врахування в піщанику синфазності зміни ЕПЕ і модуля пружності удосконалений спосіб прогнозу викидів піщаників за ЕПЕ.

Результати дисертаційної роботи впроваджені шляхом включення їх складовою частиною до 4 нормативно-методичних документів.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений/А.Д.Алексеев, В.Н.Ревва, Н.А.Рязанцев. Киев: Наукова думка, 1989. 168 с.

2. Методические указания по региональной гидрообработке выбросоопасных угольных пластов водным раствором ПАВ через скважины, пробуренные из полевых выработок/А.Д.Алексеев, Н.М.Петухов, А.А.Гребенщиков, А.Е.Жуков, В.А.Канин, С.Г.Лунев, Г.П.Стариков, В.Н.Ревва. Донецк: Препринт ДонФТИ АН УССР, 89-12, 1989. 13 с.

3. Методические указания по обработке выбросоопасных угольных пластов в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления водными растворами ПАВ/А.Д.Алексеев, Г.П.Стариков, С.Г.Лунев, Н.В.Недодаев, А.И.Сердюков, В.Н.Ревва. Донецк: Препринт ДонФТИ АН УССР, 90-11, 1990. 13 с.

4. Компьютерный вариант составления паспортов управления кровлей и крепления лав пластов с углами падения свыше 35⁰ (Руководство). Донецк: Минуглепром Украины. 1998. 123 с.

5. Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами. СОУ 101.00171144.002-2004: Стандарт Мінпаливенерго України: Прийнято та надано чинності 30.06.2004. Київ: Мінпаливенерго України. 2004. 14 с.

6. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Характер разрушения углей с увеличением глубины разработки пластов//Физика и техника высоких давлений: Сб.научн.трудов/ДонФТИ АН УССР. Киев: Наукова думка. 1989, №32. С. 49 - 52.

7. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Ульянова Е.В., Левченко В.И. Оценка фазового состояния и прочностных свойств скрепляющих составов горных пород//Физика и техника высоких давлений: Сб.научн.трудов/ДонФТИ АН УССР. Киев: Наукова думка, 1989, №32. С. 55 - 57.

8. Ревва В.Н., Ульянова Е.В., Алексеев А.Д. Влияние влажности пород на эффективность их упрочнения скрепляющими составами//Физика и техника высоких давлений: Сб.научных трудов/ДонФТИ АН УССР. Киев: Наукова думка, 1990, №34. С. 65 - 67.

9. Ревва В.Н., Стариков Г.П., Алексеев А.Д. Изменение механических свойств углей с увеличением глубины их залегания//Физика и техника высоких давлений: Республ.научн.ж-л/ДонФТИ АН УССР. Киев: Наукова думка. 1991, том 1, №3. С. 43 - 46.

10. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Володарская Е.В., Юрченко В.М. Выход газа из твердого раствора в объем и на поверхность пор и трещин//Физика и техника высоких давлений: Научн. журнал/ДонФТИ АН Украины. - Харьков: ФТИНТ АН Украины. 1992. Т.2. №4. С. 83 - 92.

11. Алексеев А.Д., Александров В.Г., Ревва В.Н., Левшин А.А., Питаленко Е.И. Повышение устойчивости откаточных штреков путем обработки охранных угольных целиков водными растворами ПАВ//Физика и техника высоких давлений: научн.ж-л/ДонФТИ АН Украины. Харьков: ФТИНТ АН Украины. 1992. Т.2. №4. С. 163 - 167.

12. Alexeev A.D., Revva V.N., Ryazantsev N.A., Sukharevskii B.J. Structural transformation under high-pressure failure of sandstone samples//Физика и техника высоких давлений: Научн.журнал/ДонФТИ АН Украины. Харьков: ФТИНТ АН Украины. 1993. Т.3. №2. С. 11 - 15.

13. Космодамианский А.С., Левшин А.А., Кодак Н.И., Ревва В.Н. Пластическое состояние анизотропного слоя при его сжатии между жесткими плитами//Физика и техника высоких давлений. 1995. Т.7. №1. С. 49 - 56.

14. Алексеев А.Д., Кузнецов Э.Н., Ревва В.Н., Соколов К.И. Установка для испытания призматических образцов на трехосное сжатие//Физика и техника высоких давлений. 1995. Т.7. №1. С. 64 - 66.

15. Ревва В.Н. Экспериментальные исследования горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного нагружения//Горнометаллургические проблемы Донбасса: Сб. научн. тр./ ДНТУ Донецк: ИНФО. 1995. №1. С. 46 - 58.

16. Снижко В.Д., Недодаев Н.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Борисенко Э.В. Отработка угольных пластов в зонах повышенного горного давления//Уголь Украины. 1997. №4. С. 13 - 14.

17. Ревва В.Н. Влияние температуры на предельное состояние породного массива в окрестности горной выработки//Физика и техника высоких давлений. 1997. Т.7. №2. С. 133 - 136.

18. Ревва В.Н. Оценка устойчивости кровли в окрестности горных выработок//Физика и техника высоких давлений. 1997. Т.7. №4. С. 114 - 116.

19. Маевский В.С., Ревва В.Н., Борисенко Э.В., Брюханов А.М. Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения//Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: ОФТГП при ДонФТИ им.А.А.Галкина НАН Украины. 1998. Вып.1. С. 10 - 15.

20. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Ермаков В.Н., Улицкий О.А. Изменение физико-механических свойств угля и вмещающих пород при водонасыщении//Известия Донецкого горного института. 1999. №1. С. 65 - 68.

21. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В., Настуев Ю.М. Исследование разрушения угля и слабых аргиллитов в образцах с полостями применительно к горным выработкам и скважинам//Проблемы горного давления: Сб.научн.тр. ДНТУ. Донецк. 1999. №3. С. 5 - 12.

22. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В., Ермаков В.Н., Улицкий О.А. Влияние водонасыщения на физико-механические свойства структурно-нарушенных горных пород//Известия Донецкого горного института. 1999. №3. С. 47 - 48.

23. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Фролов О.В., Розгон В.Д., Глушко Ю.П. Управление состоянием горного массива//Физико-технические проблемы горного производства. Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. 1999. №2. С. 86 - 96.

24. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Ульянова Е.В. Влияние давления на сорбционные свойства углей//Физика и техника высоких давлений. 2001. Т.11. №1. С. 9 - 11.

25. Ревва В.Н., Гладкая Е.В., Меляков А.Д., Литвинов А.В. Влияние мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов на трещиностойкость вмещающих пород//Известия Донецкого горного института. Донецк: ДНТУ. 2001. №2. С. 25-28.

26. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Самойленко З.А., Пушенко Е.О. Исследование структурного состояния горных пород в зонах тектонической нарушенности//Физико-технические проблемы горного производства. Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. 2001. №3. С. 50 - 56.

27. Алексеев А.Д., Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Чистоклетов В.И. Эффективная поверхностная энергия горных пород//Физико-технические проблемы горного производства. Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. 2001. №4. С. 14 - 18.

28. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Рязанцева Н.А., Рязанцев Н.А. Совершенствование способа прогноза выбросоопасности горных пород по эффективной поверхностной энергии с учетом структурно-фазовых переходов//Геотехническая,, механика. Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. 2001. №29. С.102 - 107.

29. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Рязанцева Н.А. Результаты шахтных испытаний усовершенствованного способа прогноза выбросоопасности песчаников//Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: ИФГП НАНУ. 2003. №6. С. 146 - 150.

30. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Фролов О.В. Влияние истории нагружения на прочностные свойства образцов горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия//Вісті Донецького гірничого інституту. Донецк: ДНТУ. 2004. №1. С. 112 - 115.

31. Alexeev A.D., Revva V.N., Alysev N.A., Zhitlyonok D.M. True triaxial loading apparatus and its aplication to coal outburst prediction//International Journal of Coal Geology. 2004. N58. P. 245 - 250.

32. Ревва В.Н. Прочностные и деформационные свойства упрочненных горных пород//Физико-технические проблемы горного производства. 2004. №7. С. 158 - 166.

33. Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Поштук А.З. Физико-технические проблемы сжигания крутопадающих угольных пластов. Препринт/Донецк: ДонФТИ НАН Украины. 1996. 21 с.

34. Аксенов А.В., Романова В.В., Борисенко Э.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н. Управление изменением физико-механических свойств угля при его увлажнении водными растворами ПАВ//Проблемы отработки крутых пластов Донбасса. Донецк: ЦБНТИ МУП Украины. 1996. С. 8 - 11.

35. Борисенко Э.В., Ревва В.Н., Питаленко Е.И. Оценка устойчивости кровли по эффективной поверхностной энергии//Проблемы отработки крутых пластов Донбасса. Донецк: ЦБНТИ МУП Украины. 1996. С. 26 - 29.

36. Alexeev A.D., Revva V.N., Astrov-Shumilov C.K., Gryaduchii Y.V., Khamulyak V.G. Investigation of the mechanism of discrete media fracture with the example of rock failure//Proceedings of the first international forum on DDA. Berkeley/California/USA. 1996. P. 480 - 487.

37. Alexeev A.D., Revva V.N., Gryaduchii Y.B., Khabanov A.N. Stady of the Mechanism of Destruction of Rock with a Discrete Inhomogeneity//Proceedings of the Second International Conference on DDA. Kyoto/Japan. 1997. P. 448 - 450.

38. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Шевченко Л.В. Брюханов А.М. Влияние поверхностно-активных веществ на эффективную поверхностную энергию//Сб.докл. II Международной конференции “Механика разрушения материалов и конструкций”. Львов: Каменяр. 1999. Т.1. С. 275 - 277.

39. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Поштук А.З, Настуев Ю.М. Влияние неравнокомпонентного объемного сжатия на разрушение горных пород//Сб.докл. II Международной конференции “Механика разрушения материалов и прочность конструкций”. Львов: Каменяр. 1999. Т.3. Вып.2. С. 193 - 197.

40. Способ определения степени упрочнения малоустойчивой кровли горной выработки: А.с. 1724881 СССР, МКИ Е21Д11/02.20/00/АД.Алексеев, В.Н.Ревва, Е.В.Ульянова, Н.А.Рязанцев (СССР). №4692258/03; Заявлено 16.05.89; Опубл. 07.04.92, Бюл. №13. 4 с.

41. Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород: А.с. 1747992 СССР, МКИ G01N3/00/А.Д.Алексеев, В.Н.Ревва, Н.А.Рязанцев, Г.П.Стариков (СССР). №4797578/28; Заявлено 28.11.89; Опубл. 15.07.92, Бюл. №26. 4 с.

42. Спосіб визначення викидонебезпечності вугільних пластів. Патент на винахід 19119, Україна, Е21F5/00/А.Д.Алєксєєв, Г.Н.Фейт, Г.П.Старіков, Г.Г.Смірнова, О.М. Маліннікова, В.М.Ревва. №4851738/54; Заявлено 23.09.93; Опубл. 25.12.97, Бюл. №6. 2 с.

Особистий внесок автора в роботах, що опубліковані у співавторстві:

- аналіз сучасного стану досліджень, постановка задач, розробка методик та проведення досліджень впливу нерівнокомпонентності напруженого стану на деформування та руйнування гірських порід при об'ємному навантаженні, аналіз досліджень [1, 12, 21, 23, 24, 30, 31, 36, 37, 39];

- постановка наукових задач, організація та проведення досліджень впливу водо- та газонасичення на деформування та руйнування гірських порід в умовах об'ємного нерівнокомпонентного стиснення, висновки [1, 8, 10, 13, 20, 22, 24, 34];

- постановка задач та установлення закономірностей деформування та руйнування гірських порід при їх фізико-хімічному зміцненні, висновки та рекомендації [7, 8, 40];

- формулювання мети та задач, експериментальні та теоретичні дослідження впливу глибини розробки та температурних змін в масиві на фізико-механічні властивості та граничний стан гірських порід при об'ємному стисненні, висновки [6, 9, 33];

- обгрунтування застосування тріщиностійкості гірських порід для прогнозу та управління станом гірничого масиву, результати теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз і висновки [1, 19, 25, 26-28, 35. 38, 41];

- удосконалення та розробка способів прогнозу та управління станом гірничого масиву, рекомендації з їх застосування [2-5, 11, 14, 16, 28, 29, 40, 42].

Анотація

Ревва В.М. Розвиток наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об'ємному нерівнокомпонентному стисненні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”. - Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-прикладної проблеми, пов'язаної із розвитком наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об'ємному стисненні з урахуванням нерівнокомпонентності напруженого стану та дефектності їх структури для удосконалення та розробки способів прогнозування та управління станом гірничого масиву.

На основі експериментальних і теоретичних досліджень встановлені закономірності деформування та руйнування гірських порід при об'ємному нерівнокомпонентному стисненні залежно від видів напруженого та деформаційного стану, історії навантаження, водо- та газонасичення, фізико-хімічної дії, глибини залягання, температурних змін в масиві та інших впливаючих факторів. Запропонований новий підхід, який враховує тріщиностійкість порід, до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок. Розроблені та апробовані методики експериментального визначення тріщиностійкості гірських порід при об'ємному навантаженні та ступеня зміцнення малостійкої покрівлі гірничих виробок. Через врахування синфазності зміни тріщиностійкості та модуля пружності удосконалено спосіб прогнозу викидонебезпечності пісковиків за ефективною поверхневою енергією. Основні наукові результати роботи знайшли своє відображення при розробці методичних вказівок та нормативних документів, які пов'язані з управлінням станом гірничого масиву і впроваджені на ряді вугільних шахт.

Ключові слова: деформування, руйнування, гірські породи, види напруженого та деформаційного стану, тріщиностійкість, водо- та газонасичення, температурні зміни.

Аннотация

Ревва В.Н. Развитие научных основ деформирования и разрушения горных пород при объемном неравнокомпонентном сжатии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”. - Институт физики горных процессов НАН Украины, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена решению важной научно-прикладной проблемы, связанной с развитием научных основ деформирования и разрушения горных пород при объемном сжатии с учетом неравнокомпонентности напряженного состояния и дефектности структуры для совершенствования и разработки способов прогноза и управления состоянием горного массива.

Исследуя широкий спектр видов напряженного состояния и соответствующие им виды деформационного состояния, было установлено, что при деформировании и разрушении горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия их деформационное состояние не соответствует напряженному и при минимальном напряжении отличном от нуля изменяется от обобщенного сжатия до обобщенного сдвига, что может привести к неверной интерпретации результатов замера напряжений в массиве методом разгрузки и реконструкции полей напряжений в нем. Оценено влияние истории нагружения (нагрузка, разгрузка) на величины разрушающих напряжений и характер разрушения образцов горных пород. Учет запредельного состояния позволил получить ряд коэффициентов хрупкости разрушения горных пород, имеющих физический смысл и представляющих собой отношение энергии разрушения к общей энергии деформирования. В качестве параметра неоднородности свойств горных пород предложена эффективная поверхностная энергия (ЭПЭ). Установлено существенное влияние структурных факторов и флюидов на ЭПЭ горных пород. Водо- и газонасыщение существенно уменьшают трещиностойкость горных пород, причем влажность влияет значительно сильнее, снижая сопротивляемость развитию в породе трещин почти на порядок (до 8 раз). В остальном влияние воды и газа на физико-механические свойства горных пород имеет противоположный характер. Водонасыщение уменьшает упругие свойства пород, увеличивает деформации и приводит к пластификации, локализует разрушение, которое происходит путем сдвига. Газонасыщение пород увеличивает их упругие характеристики, охрупчивает материал, интенсифицирует трещинообразование по всему объему, а разрушение носит динамический характер. Экспериментально исследовано изменение сорбционных свойств углей в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия в зависимости от вида напряженного состояния и установлено, что наибольшее изменение в структуре углей вызывает обобщенный сдвиг. Исследовано поведение горных пород в условиях объемного нагружения при их физико-химическом упрочнении. Установлены закономерности деформирования и разрушения углей при объемном нагружении в зависимости от увеличения глубины их залегания, где отмечено монотонное возрастание их упругих свойств и предельной прочности и выявлено тенденцию к более вязкому разрушению угля. Оценено влияние температурных изменений на предельное состояние горных пород в окрестности горных выработок.

Предложен и обоснован новый подход к оценке устойчивости кровли горных выработок, где впервые учитывается трещиностойкость горных пород. Исследовано деформирование и разрушение в условиях объемного нагружения углей и слабых аргиллитов на образцах с полостями применительно к горным выработкам и скважинам. Полученные данные об условиях устойчивости скважин и горных выработок могут быть использованы для выбора и оптимизации геометрической формы и параметров новых крепей.

За счет учета синфазности изменения ЭПЭ и модуля упругости усовершенствован способ прогноза выбросоопасности песчаников по ЭПЭ. Применение этого способа на шахте им.А.Г.Стаханова ОП “Красноармейскуголь” показало его надежность и позволило за счет исключения ошибок второго рода получить экономический эффект, обусловленный снижением объема применения сотрясательного взрывания в невыбросоопасных зонах. Научные результаты диссертационной работы нашли свое отражение в методических указаниях и нормативных документах, связанных с управлением состоянием горного массива и внедренных в ряде угольных шахт.

Ключевые слова: деформирование, разрушение, горные породы, виды напряженного и деформационного состояний, трещиностойкость, водо- и газонасыщенность, температурные изменения.

Summary

Revva V.N. Advanced fundamentals of rocks deformation and fracture under true triaxial compression. - Manuscript.

The thesis submitted for a doctor of technical science degree in the field 05.15.11. - Physical Processes in Mining. - Institute for Physics of Mining Processes, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2005.

The work is devoted to solution of an important scientific and practical problem of advanced theoretical fundamentals of rocks deformation and fracture under bulk compression with a special attention to true triaxial stress state and structure faults, with the aim to develop methods of rock massif condition prediction and control.

Rocks deformation and fracture features under true triaxial compression were defined based on experimental and theoretical investigations depending on stress or strain state modes, straining history, water and/or gas saturation extent, physical or chemical impacts, depth of occurrence, temperature variations, and other influencing factors in a rock mass.

A novel approach is proposed for excavation roof stiffness estimations, taking into consideration fracture toughness of rocks.

Experimental techniques were developed and approved for determination of rock fracture toughness at true triaxial compression and stiffness degree of a loose excavation roof. The prediction method of sandstone outburst hazard based on the effective surface energy has been advanced taking into consideration synchronism in variations of fracture toughness and elastic modulus.

Key results of present work were used at the development of normative acts and guidelines on rock mass state control and has been implemented in underground coalmines.

Key words: deformation, fracture, rocks, stress state mode, strain state mode, fracture toughness, water and gas saturation, temperature variations.

Размещено на Allbest.ru