Интерпретация и моделирование деформирования массивов скальных пород около выработанных пространств при разработке рудных месторождений

Щуплецов Ю.П., Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, Пермский государственный технический университет, г. Пермь

Введение

Достоверные количественные оценки механических свойств массивов пород можно получить только из натурных экспериментов. Поскольку их проведение требует больших финансовых и материальных затрат, а также из-за большой трудоемкости, деформационные свойства массивов изучены недостаточно. Натурные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов скальных пород около выработанных пространств, проведенные Институтом горного дела УрО РАН на подземных рудниках, показывают, в частности, что нередко измеряемые приращения напряжений и смещения в массиве скальных пород имеют противоположные знаки. Такие результаты ставит под сомнение достоверность расчетов НДС массивов, требуют теоретического объяснения механизма подобных эффектов.

1. Методика натурных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов

Подробно методика экспериментально-аналитических исследований геомеханического состояния массивов на больших участках в шахтах с помощью наблюдательных станций типа "реперная линия - фотоупругие датчики" изложена у Влоха Н.П. и др., 1988. Всего за период свыше 20 лет было оборудовано более 20 таких станций на 7 шахтах в массивах с разными геомеханическими свойствами. Измерения смещений проведены с точностью 0.05 мм специально оборудованной рулеткой, приращения напряжений определяются с погрешностью 10-15%. К рассмотрению представлены результаты наблюдений по 4 станциям, сохранившимся наиболее длительное время в процессе ведения горных работ (до 3 лет). Анализ фактических и расчетных изменений НДС сделан на основе модели линейно упругой среды, так как в сравнении с ней наиболее просто проследить характер отклонения фактических параметров деформирования.

Сравнение с результатами лабораторных испытаний

С точки зрения сплошной среды физически необъяснимы отрицательные значения модулей деформации, но они вполне объяснимы, если рассматривать массив пород как деформируемую среду, находящуюся в запредельном состоянии. Логически такое определение вполне понятно, так как практически все скальные массивы являются блочными трещиноватыми средами, а образование трещин и есть критерий, характеризующий переход сплошной среды в запредельное состояние. Такая среда способна к проявлениям как положительной, так и отрицательной дилатансии, которая искажает характер деформирования среды по сравнению со сплошной.

Лабораторные исследования деформирования образцов горных пород в запредельной стадии нагружения (например, Курленя и др., 1995) и сыпучих сред (Ревуженко & Бобряков, 1994) показали, что в зависимости от пути нагружения и начальной упаковки блоков среды можно получить противоречия между задаваемыми напряжениями и смещениями, что объясняет полученные в натурных экспериментах результаты.

Некоторые частные результаты определения механических свойств массивов

Отметим некоторые частные результаты. По станции (с) тектоническая трещина испытала сдвиг на 7 мм при величине касательных напряжений менее 0.5 МПа, причем потом при снижении ?x она вернулась в начальное состояние. Очевидно, что нарушение находилось в состоянии предельного равновесия.

По станции (d) произошла разгрузка целика при смещении по тектоническому нарушению, находящемуся на контакте с висячим боком залежи. Em при разгрузке оказался в 2.5 раза больше, чем среднее статистическое значение при сжатии целика, что, конечно, является следствием гистерезиса деформирования трещин. В процессе смещений найдено по критерию Кулона-Мора, что угол внутреннего трения по нарушению ? 20°, а сцепление снизилось с 3.8 МПа до 2.5 МПа. Нарушение представлено зоной более трещиноватых пород с глинкой трения.

Все приведенные выше результаты получены при напряжениях, равных 60% - 90% от пределов прочности массивов на обнажениях.

Заключение

1. При простом пути нагружения скальный массив деформируется квазилинейно в любой момент времени с явлением гистерезиса при переходе от сжатия к разгрузке. В рассмотренном конкретном случае при разгрузке модуль деформации оказался в 2.5 раза больше чем при сжатии.

2. При сложном нагружении в разные интервалы времени массив проявляет свойства сред от жестких до пластических, а также деформируется в противоречии с изменениями напряжений в направлении измерения. Причина заключается в дилатансионном деформировании по естественным трещинам с коэффициентами поперечной деформации часто выходящими за диапазон 0 ? 0.5, характерный для сплошных сред. В условиях сложного нагружения массив можно рассматривать интегрально во времени и по объему линейно деформируемым, если во времени сохраняется тенденция к пропорциональному изменению компонент напряжений. Это ставит под сомнения правомерность реконструкции первоначальных напряжений по измерениям смещений на больших базах (метры, десятки метров и более) без непрерывного мониторинга.

3. При резком изменении градиента какой-либо компоненты напряжений существует инерция деформирования в перпендикулярном направлении. Развивающиеся затем в этом направлении вязко-пластические деформации составляют 60 ? 70% от ранее достигнутых и имеют противоположный знак. Этот факт вполне объясняет поднятия и опускания во времени участков поверхности Земли при подготовке землетрясений и после них изменением горизонтальных тектонических напряжений. Эксперименты показали, что коэффициенты вязкости прочных скальных пород в образце на 2 ? 4 порядка выше, чем в массиве.

4. Существует аналогия полученных закономерностей деформирования массива скальных пород в изменяющемся поле напряжений с закономерностями деформирования образцов пород в запредельном состоянии и сыпучих сред.

Список литературы

Vlokh N.P., Zoubkov A.V., Shupletsov Ju.P 1988. Determenation of stresses and strain modulus in a rock mass by an experemental - analytical method. Proc. 2-nd Intern. Symp. Field Measurements in Geomechanics. - Rotterdam: Balkema: 1105-1112.

Brady B.H.G., Brown E.T. 1985. Rock Mechanics For Undegraund Mining. London: George Allen and Unwin: 587 p.

Шуплецов Ю.П. 1997. Особенности деформирования массивов скальных пород в зависимости от характера изменения его напряженного состояния. Тр. ХI Рос. конф. по механике горных пород: Проблемы механики горных пород: - С.-Петербург изд СПбГАСУ: 527-532 (in Russion).

Чирков С.Е. 1973. О влиянии горного давления и водонасыщения на показатели вязкости горных пород. Научн. сообщ. ИГД им. Скочинского: Горное давление и крепление горных выработок 103: 61-66 (in Russion).

Kurlenya, M. V., V. N. Oparin, G. F. Bobrov et al. 1995. About wedging effect of support pressure zones. Phiziko - techicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh 4: 3-10 (in Russion).

БобряковА.П., РевуженкоА.Ф. 1994. Сложное нагружение сыпучих материалов с изломами траектории. Методика и экспериментальные результаты. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 5: 48-56 (in Russion).