Прогнозирование прочности и устойчивости горных пород по фрактальной размерности линии контура подземных выработок

Важнейшей задачей проектирования разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом является обеспечение устойчивости горных выработок. Решению данной задачи посвящены многочисленные научные исследования, основные результаты которых нашли отражение в Строительных нормах и правилах (СНиП). Однако, по общему признанию, единой работоспособной теории устойчивости пород в выработках до настоящего времени не создано, что обусловлено неисчерпаемым многообразием как инженерно-геологических особенностей породных массивов, так и технологии строительства подземных выработок. Рекомендации СНиП носят лишь самый общий характер, и в них прямо указывается на необходимость дополнительных исследований факторов, определяющих устойчивость пород в выработке.

Критерии устойчивости горных пород основаны, как правило, на сопоставлении прочности породного массива и напряжений на контуре выработки. Для обоснованного использования результатов лабораторного изучения прочностных характеристик пород необходимо учитывать влияние влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости породного массива на его прочность. Величина действующих напряжений определяется их концентрацией на контуре горной выработки. Действие данных факторов имеет вероятностную природу, что необходимо учитывать при оценке устойчивости горных пород в выработке.

Таким образом, тема представленной диссертации, направленной на изучение указанных вопросов, является актуальной.

Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Изучение последствий и теоретические основы прогноза изменения геологической среды при подземных техногенных воздействиях» (задание Федерального агентства по образованию 1.13.05, 2005;2007 гг.) — «Исследование физико-механических свойств скальных грунтов на шахтах „Северная вентиляционная“, „Южная вентиляционная“, „Скиповая“, „Клетевая“ подземного рудника Юбилейного месторождения» (хоздоговорная НИР № 36−214−07).

Объект исследований — горные породы и породные массивы месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых подземным способом.

Предмет исследований — закономерности изменчивости прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках.

Цель работы — повышение оперативности и достоверности прогноза устойчивости горных пород в подземных выработках.

Основная идея’работы заключается в использовании паспорта прочности как меры нарушенности пород и фрактальной размерности линии контура горных выработок для оценки устойчивости горных пород.

Задачи исследований:

1. Исследование комплекса свойств и трещиноватости горных пород Юбилейного месторождения.

2. Анализ паспорта прочности как характеристики нарушенности горных пород.

3. Изучение влияния горного давления, влажности, масштабного эффекта и трещиноватости горных пород на прочность породных массивов.

4. Разработка метода оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

5. Совершенствование методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке с вероятностных позиций.

Методы исследований: современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных породоценка результатов с позиций математической статистики и теории вероятностейаналитические исследования закономерностей разрушения пород в выработке на основе классических представлений физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Положение касательной к огибающей предельных кругов напряжений Мора с абсциссой равной 70% от прочности при сжатии служит характеристикой изменения нарушенности пород под нагрузкой и определяет параметры паспорта прочности, соответствующие непосредственно измеряемым величинам сцепления и угла внутреннего трения горных пород.

2. Прочностные характеристики породного массива определяются паспортом прочности, метод построения которого основывается на комплексной оценке влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости пород на их свойства.

3. Фрактальная размерность линии контура горной выработки достоверно описывает степень его технологических неровностей и в этом качестве служит надежной оценкой коэффициента концентрации напряжений.

4. Методика прогнозирования устойчивости горных пород в выработке, основанная на комплексном учете влияния физических полей, масштабного эффекта и трещиноватости породного массива на его прочность, позволяет оценивать вероятность разрушения пород при коэффициенте концентрации напряжений, определяемом фрактальной размерностью линии контура выработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивается достаточным (для принятой надежности 95%) объемом экспериментальных исследованийудовлетворительным (в пределах естественного разброса данных) соответствием аналитических и экспериментальных результатов оценки прочностных характеристик горных пород и масштабного эффектаиспользованием результатов шахтных наблюдений по оценке неровностей контура горных выработок и коэффициента концентрации напряжений.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

— Разработана процедура анализа паспортов прочности, отличающаяся тем, что в качестве меры нарушенности горных пород при изменении нагрузки используется уравнение касательной к огибающей предельных кругов напряжений в точке с абсциссой 0,7 стсж.

— Обоснован метод прогнозирования прочности породного массива, отличительной особенностью которого является комплексный учет влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и трещиноватости на характеристики паспорта прочности пород.

— Впервые предложен и обоснован метод оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

Практическая значимость работы заключается в обосновании методов и компьютерных программ анализа паспорта прочности, позволяющих определить значения сцепления и угла внутреннего трения, соответствующих результатам их непосредственного измерения и учитывающих влияние горного давления, влажности, масштабного эффекта и трещиноватости породв разработке метода определения коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки по его фрактальной размерностив разработке методики прогнозирования устойчивости горных пород в выработке, позволяющей с вероятностных позиций оценить соотношение прочности породного массива и действующих напряжений.

Личный вклад состоит в непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях свойств пород Юбилейного месторождения, в интерпретации шахтных наблюдений для оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальным характеристикам линии контура горных выработок, в постановке и проведении опытных и аналитических исследований влияния различных факторов на прочностные характеристики горных пород, в получении основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Методика прогнозирования устойчивости и разрушения горных пород в подземных выработках, включающая методы анализа паспортов прочности и оценки коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки, переданы для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ».

Теоретические результаты по анализу паспортов прочности горных пород, масштабному эффекту и вероятностной оценке устойчивости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород». Автор непосредственно участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования — г. Екатеринбург, УрО РАН, 2009 г.- на III Уральском горнопромышленном форуме — г. Екатеринбург, УрО РАН, 2009 г.- на научно-технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» — г. Магнитогорск, МГТУ, 2010 г.- на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета — Екатеринбург (2008;2010 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Выводы.

1. Анализ общих принципов и конкретных методик прогноза показывает, что устойчивость горных пород в выработке определяется соотношением прочности породного массива, учитывающей все влияющие на данную величину факторы, и действующие на контуре выработки напряжения. Последние формируются за счет гидростатического давления, обусловленного весом горных пород, и коэффициентом концентрации напряжений, зависящим от размеров выработки и степени неровности ее контура.

2. Используемые в классической схеме расчета коэффициента концентрации напряжений дисперсия величин отклонения профиля выработки от проектного сечения и число пересечений линии реального контура выработки с ее проектным профилем характеризуют степень изломанности и могут быть оценены фрактальной размерностью линии контура выработки.

3. Разработанная имитационная модель и методика расчета позволяют оценивать коэффициент концентрации напряжений на контуре горной выработки по его фрактальной размерности. Сопоставление полученного расчетного соотношения с классическим методом определения коэффициента концентрации напряжений, основанное на шахтных замерах выработок, показало их хорошее соответствие — коэффициент вариации не превышает нескольких процентов.

4. Для надежного прогнозирования устойчивости горных в выработке необходимо учитывать вероятностный характер прочности пород и напряженного состояния породного массива. Разработанная на этой основе методика и процедура прогнозирования позволила построить диаграммы вероятности разрушения пород по разрезам Юбилейного месторождения и сравнить полученные результаты с категориями устойчивости горных пород по СНиП.

5. Полученные результаты создают базу для надежного прогнозирования устойчивости горных пород в выработке. Для обеспечения доступности и оперативности прогноза все полученные нами методики и способы сведены в единую математическую модель и создан компьютерный банк данных, который включает как отдельные базы данных по характеристикам месторождения, так и процедуру их обработки и анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение научно-практической задачи прогнозирования прочности горных пород с учетом нарушенности массива по характеристикам паспорта прочности и коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности контура выработки, имеющей существенное значение для оценки устойчивости подземных горных выработок.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования автором получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполнена классификация горных пород Юбилейного месторождения по закономерностям распределения их свойств.

2. Обоснован метод и разработана компьютерная процедура анализа паспорта прочности горных пород, где касательная к огибающей предельных кругов напряжений определяет закономерности изменения трещиноватости горных пород под нагрузкой. Мерой нарушенности пород служит отношение величины сцепления при полностью закрытых трещинах и в исходном состоянии, определенной в эксперименте. Угол внутреннего трения пород, соответствующий непосредственным измерениям, определяется при напряжениях, равных 0,7 асж.

3. Установленные закономерности изменения прочностных характеристик пород под действием горного давления и увлажнения выражаются соответствующими соотношениями, которые используются в методе построения паспорта прочности породного массива.

4. Разработан метод оценки совместного действия масштабного фактора и ослабления массива трещинами, использующий соотношения, полученные на основе статистики экстремальных значений. Критерием масштабного эффекта является коэффициент вариации экспериментальных измерений прочности. Реальное строение массива оценивается модулем трещиноватости. Использование полученных расчетных формул позволяет определять коэффициент структурного ослабления породного массива.

5. Предложен и обоснован математическим моделированием и шахтными наблюдениями метод оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки.

6. Совокупность полученных результатов позволила обосновать методику прогноза прочности и устойчивости горных пород в выработке, включающую алгоритм и компьютерную программу прогнозирования. На основании этой методики оценивается вероятность разрушения пород в выработке и осуществляется построение прогнозных диаграмм.

7. Методика прогнозирования устойчивости и разрушения горных пород в подземных выработках, включающая методы анализа паспортов прочности и оценки коэффициента концентрации напряжений на контуре горной выработки, передана для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ». Результаты исследований используются в учебном процессе.