СПОСОБ ОЦЕНКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ДЛИТЕЛЬНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОРОДАМИ, ВМЕЩАЮЩИМИ ГОРНУЮ ВЫРАБОТКУ Российский патент 2005 года по МПК E21C39/00 G01N3/12 G01N33/24 

Описание патента на изобретение RU2254465C1

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для количественной оценки геомеханической роли закладочного массива при его взаимодействии с боковыми породами.

При взаимодействии закладочного массива и целиков, когда породы, деформируясь, давят на уплотняющую закладку, со стороны закладочного массива на боковые породы действует реактивное горизонтальное давление (реакция закладочного массива), в результате чего породы оказываются в объемном напряженном состоянии и обладают значительно большей несущей способностью по сравнению со случаем плоского или одноосного напряженного состояния.

Известны способы определения реакции закладочного массива по данным измерений в натурных условиях шахт и рудников, заключающиеся в установке большого количества датчиков давления и реперных станций для измерения конвергенции породного контура в выработанном пространстве, заполненном закладочным материалом, проведении мониторинговых измерений, обработке и интерпретации их результатов (Якоби О. Практика управления горным давлением. - М.: Недра, 1986.; Хомяков В.И. Зарубежный опыт закладки на рудниках. - М.: Недра, 1984).

Однако указанные способы обладает значительной трудоемкостью и являются поэтому дорогостоящими. Кроме того, получающиеся результаты имеют большой разброс и недостаточно достоверны, т.к. позволяют оценить реакцию закладочного массива только в той конкретной горно-геологической и горно-технической ситуации, где проводятся натурные наблюдения.

Известен способ оценки давления в закладочной смеси, которое равно реакции закладки, заключающийся в лабораторных испытаниях в условиях компрессии системы "образец-закладка" в жестких цилиндрических матрицах, на стенках которых по периметру под углом 120° установлены электрические тензодатчики, и построении графиков зависимости "напряжение - деформация сжатия" для керна и "деформация сжатия -боковое напряжение" для закладочной смеси (Блайт ДЖ.Е., Кларк И.Е. Приготовление и исследование свойств жесткой закладочной смеси для поддержания целиков // Разработка месторождений с закладкой - М.: Мир, 1987).

Однако этот способ также является достаточно трудоемким и дорогостоящим, не позволяет учесть прочностные свойства породного образца. Полученные результаты оценки являются недостоверными.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку (П. №2204716, МКИ Е 21 С 39/00, БИ №14, опубл. 20.05.2003). Способ включает проведение компрессионных испытаний системы "цилиндрический породный образец - закладочный материал" в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, породные образцы, у которых отношение высоты образца к его диаметру составляет не менее 2, устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, после чего производят их компрессионные испытания с построением компрессионных кривых "вертикальная деформация - вертикальное напряжение" породного образца и осуществляют вычисление относительной реакции закладочного массива по формуле

где q - реактивное давление закладочного материала на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

Ку - отношение вертикального напряжения, действующего на породный образец, окруженный закладочным материалом, к вертикальному напряжению, действующему на породный образец без закладки, при одном и том же значении вертикальной деформации, которое определяют по компрессионным кривым;

α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления и бокового давления σ2, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси.

Указанный способ не позволяет оценить реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с боковыми породами, когда последние развивают деформации и собственно давление на закладку во времени, что через определенный период делает результаты недостоверными.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении области применения и повышении достоверности получаемых результатов за счет учета длительности взаимодействия закладочного и породного массивов, вследствие чего создается возможность более корректно решать задачи управления процессами их деформирования и разрушения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, включающем проведение компрессионных испытаний системы «цилиндрический породный образец - закладочный материал» в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, у которого отношение высоты к диаметру составляет не менее 2, его устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" породного образца, определение относительной реакции закладочного массива, дополнительно проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», после чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания, а относительную реакцию закладочного массива определяют по формуле

где q - реактивное давление закладочного массива на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

σ1 - осевое сжимающее напряжение, действующее на образец, равное отношению вертикальной нагрузки на образец к площади его поперечного сечения;

ε - скорость вертикальных деформаций;

Kε - отношение скорости вертикальных деформаций (на стадии установившейся ползучести породного образца, окруженного закладочным материалом, к скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца без закладки при одном и том же сжимающем осевом напряжении σ1;

α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления σ1 и бокового давления σ2, определяемый из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

β - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести образца при увеличении уровня нагружения , определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения -натуральный логарифм скорости деформаций 1nε» как тангенс его наклона к горизонтальной оси;

после чего строят номограмму зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения его высоты к высоте породного образца при различных уровнях нагружения системы, по которой определяют относительную реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - обобщенный паспорт прочности породы в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение»;

на фиг.2 - графики зависимости натурального логарифма скорости ε продольных деформаций породных образцов на стадии установившейся ползучести от уровня нагружения системы (а) и отношения высоты закладки к высоте образца - полноте заполнения жестких матриц закладкой А(б);

на фиг.3 - графики зависимости коэффициента снижения скорости установившейся ползучести образца Kε от полноты заложения матриц закладкой А и уровня нагружения системы: где кривые 9 при 10 при

на фиг.4 - номограмма зависимости реакции закладочного материала от уровня нагружения системы и полноты заполнения матриц закладкой А по результатам длительных испытаний системы «образец-закладка».

Способ оценки относительной реакции закладочного массива иллюстрируется на примере испытаний образцов соляных пород Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей. Для испытаний применяли максимально схожие между собой образцы - «близнецы» с отношением высоты (h) к диаметру (d) составляет не менее 2.

Проводили испытания породных образцов на сжатие в стабилометре с построением обобщенного паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение σ2 - вертикальное напряжение σ1» и получили данные на фиг.1, где 1 - криволинейная огибающая кругов Мора, 2 - ее линейная аппроксимация. По линейной аппроксимации паспорта прочности как тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси координат определяли константу породы α, соответствующую коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только вертикального (осевого) давления σ1, но и горизонтального (бокового) давления σ2.

Затем проводили испытания породных образцов на ползучесть при сжатии осевым давлением σ1, превышающим предел длительной прочности породы σ, меняя значение σ1 от σ до строили график зависимости натурального логарифма скорости ползучести на установившейся стадии Inε от нагружения образца (фиг.2а), по которому как тангенс угла наклона прямой 3 к горизонтальной оси определяли константу породы β, характеризующую степень увеличения скорости установившейся ползучести s при увеличении уровня нагружения образца .

Затем проводили лабораторные испытания системы «образец-закладка» на простую ползучесть в условиях двуосного сжатия при постоянной вертикальной нагрузке σ1 и зависящим от времени τ боковым подпором σ2(τ), создаваемым реакцией закладки. Испытывали породные образцы цилиндрической формы (высота h=84 мм, d=43 мм), выбуренные из одного сезонного слоя сильвинитового пласта и ориентированные перпендикулярно напластованию, в жестких матрицах с внутренним диаметром D=106 мм. Закладочный материал (гидрозакладку) отбирали в натурных условиях, он имел «возраст» 12 лет. Строили кривые ползучести в координатах «вертикальная деформация - время».

После чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания. Перед испытанием образцы породы и закладочного материала покрывали гидроизоляционным покрытием, зазор между ними составлял 0,2-0,3 мм. Зазор между закладочным материалом и металлической обоймой заполняли специальным цементом, приготовленным на карналлитовом растворе. Нагружение образцов осуществляли гидравлическим способом через специальные опорные шайбы, изготовленные из сильвинита. В процессе опыта измеряли вертикальные деформации ε. В экспериментах изменяли степень нагружения образцов и полноту заполнения матриц закладочным материалом А=h3/h, где h3 - высота закладочного образца, h - высота породного образца. Продолжительность испытаний составляла 12 месяцев.

По результатам испытаний были определены и построены графики зависимости натурального логарифма скорости установившейся ползучести породного образца от влияющих факторов (фиг.3), на которых: 3-А=0; 4-А=0,45; 5-А=0,69; 6-А=0,89; 7-

По результатам испытаний системы «образец-закладка» в жестких матрицах на ползучесть с использованием построенных графиков зависимости натурального логарифма скорости установившейся ползучести породных образцов от влияющих факторов (фиг.3) определяли коэффициент снижения скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца в условиях взаимодействия с закладкой по формуле:

где ε3 и ε - соответственно скорости продольных деформаций породного образца без закладки и с закладкой при одном и том же значении σ1сжо.

На фиг.4 приведены графики зависимости коэффициента К^ от полноты заполнения матриц закладкой А: Очевидно, что значения Kε существенно меньше 1,0.

Полагая, что

получим формулу для Kε в виде

где - предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

σ1 - осевое сжимающее активное давление на породный образец;

σ2=q - реактивное боковое давление закладки (реакция закладки) на образец;

α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только осевого давления σ1, но и бокового давления σ2, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

β - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести при увеличении уровня нагружения , определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения -логарифм скорости деформаций In ε» как тангенс его наклона к горизонтальной оси. В результате математических преобразований получим формулу для оценки относительной реакции закладки в виде

При этом оценивают как среднее в интегральном смысле на интервале времени от t=0 до времени t=tcm стабилизации процесса деформирования системы «образец-закладка»;

На фиг.4 приведена номограмма зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения А (высоты h3 к высоте породного образца h) при различных степенях нагружения системы, где 13-А=0,45; 14-А=0,69; 15-А=0,89, построенная при α=5,73 и β=16,10.

Оценим количественно реакцию закладки на конкретном примере. Пусть разрабатывается сильвинитовый пласт с применением камерной системы разработки на глубине Н=200 м при среднем объемном весе вышележащих пород γ=0,021 МН/м3, при отношении высоты целиков h к их ширине b, равном 2, и коэффициенте извлечения полезного ископаемого из недр ω=0,6. Тогда осевое сжимающее давление на целики σ1=γН/(l-ω)=10,5 МПа. Если прочность пород, слагающих целики, на одноосное сжатие σсжо равна 19 МПа, то, умножая ее на коэффициент 7,25, из-за того, что целики ленточные, получим несущую способность целиков, равной 23,75 МПа, а степень их нагружения С=0,44.

Если время отставания закладочных работ от очистных принять равным нулю, свойства закладочного массива такими, как у испытанного закладочного материала, полноту заполнения очистных камер А=0,7, то согласно номограмме на фиг.5 при С=0,44: А=0,7, ; при =2,55 МПа.

Определим степень нагружения целиков при их взаимодействии с закладочным массивом С3 при α=5,73. Получаем С3=0,25, т.е. степень нагружения целиков в окружении закладки уменьшается в 1,76 и, что наиболее существенно, изменяется режим деформирования целиков: они будут работать как жесткие, а не как податливые.

Использование предлагаемого способа оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, позволяет оперативно оценить несущую способность целиков различного назначения при разработке месторождений с закладкой, чтобы изменить параметры очистных и закладочных работ в соответствии с конкретной горно-геологической и горно-технической ситуацией для обеспечения геодинамической безопасности недр и земной поверхности.

Похожие патенты RU2254465C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОЦЕНКИ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ОСЕДАНИЯМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2009
  • Константинова Светлана Александровна
  • Гилев Михаил Васильевич
  • Аникин Николай Федорович
RU2408785C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОРОДАМИ, ВМЕЩАЮЩИМИ ГОРНУЮ ВЫРАБОТКУ 2001
  • Константинова С.А.
  • Гилев М.В.
  • Зальцзейлер О.В.
RU2204716C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД 2018
  • Коршунов Владимир Алексеевич
  • Павлович Антон Анатольевич
  • Бажуков Александр Алексеевич
  • Мельников Никита Ярославович
RU2684536C1
Способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях и устройство для его осуществления 2020
  • Власов Александр Николаевич
  • Королев Михаил Владимирович
RU2758288C1
Способ испытания образцов горных пород 1988
  • Лезина Елена Генриевна
SU1559149A1
СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 2005
  • Галченко Юрий Павлович
  • Айнбиндер Игорь Израилевич
  • Плащинский Виктор Францевич
  • Пахалуев Валерий Федорович
  • Сабянин Георгий Васильевич
  • Родионов Юрий Иванович
  • Пацкевич Петр Геннадьевич
  • Вохмин Сергей Антонович
RU2306417C2
Способ извлечения запасов полезного ископаемого из целиков 2015
  • Трубецкой Климент Николаевич
  • Захаров Валерий Николаевич
  • Иофис Моисей Абрамович
  • Есина Екатерина Николаевна
  • Поставнин Борис Николаевич
  • Гришин Александр Викторович
RU2610456C1
Способ определения напряженно-деформированного состояния закладочного массива 1979
  • Малетин Леонид Васильевич
  • Кириченко Григорий Степанович
  • Курленя Михаил Владимирович
  • Пахомов Владимир Алексеевич
SU896240A1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 2007
  • Вознесенский Владимир Александрович
  • Филимонов Юрий Леонидович
  • Шкуратник Владимир Лазаревич
RU2339815C1
Комплексный способ контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций объектов геотехнологии в процессе их длительной эксплуатации 2022
  • Барышников Василий Дмитриевич
  • Хмелинин Алексей Павлович
  • Барышников Дмитрий Васильевич
RU2796197C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 254 465 C1

Реферат патента 2005 года СПОСОБ ОЦЕНКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ДЛИТЕЛЬНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОРОДАМИ, ВМЕЩАЮЩИМИ ГОРНУЮ ВЫРАБОТКУ

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для количественной оценки геомеханической роли закладочного массива при его взаимодействии с боковыми породами. Способ включает проведение компрессионных испытаний системы «цилиндрический породный образец - закладочный материал» в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, у которого отношение высоты к диаметру составляет не менее 2. Образец устанавливают в матрицах таким образом, чтобы его ось проходила через ось матрицы. Строят обобщенный паспорт прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" породного образца. Дополнительно проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», после чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания. Определяют относительную реакцию закладочного массива по математическому выражению. Строят номограмму зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения его высоты к высоте породного образца при различных уровнях нагружения системы. По номограмме определяют относительную реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку. Изобретение направлено на повышение достоверности получаемых результатов и повышение качества управления процессами деформирования и разрушения массивов. 5 ил.

Формула изобретения RU 2 254 465 C1

Способ оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, включающий проведение компрессионных испытаний системы «цилиндрический породный образец - закладочный материал» в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, у которого отношение высоты к диаметру составляет не менее 2, его устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" породного образца, определение относительной реакции закладочного массива, отличающийся тем, что дополнительно проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», после чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания, а относительную реакцию закладочного массива определяют по формуле

где - реактивное давление закладочного массива на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

σ1 - осевое сжимающее напряжение, действующее на образец, равное отношению вертикальной нагрузки на образец к площади его поперечного сечения;

ε - скорость вертикальных деформаций;

Kε - отношение скорости вертикальных деформаций ε на стадии установившейся ползучести породного образца, окруженного закладочным материалом, к скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца без закладки при одном и том же сжимающем осевом напряжении σ1;

α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления σ1 и бокового давления σ2, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

β - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести образца при увеличении уровня нагружения σ1сжо, определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения σ1сжо - натуральный логарифм скорости деформаций lnε» как тангенс его наклона к горизонтальной оси,

после чего строят номограмму зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения его высоты к высоте породного образца при различных уровнях нагружения σ1сжо системы, по которой определяют относительную реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2254465C1

СПОСОБ ОЦЕНКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОРОДАМИ, ВМЕЩАЮЩИМИ ГОРНУЮ ВЫРАБОТКУ 2001
  • Константинова С.А.
  • Гилев М.В.
  • Зальцзейлер О.В.
RU2204716C2
Способ определения напряженно-деформированного состояния закладочного массива 1979
  • Малетин Леонид Васильевич
  • Кириченко Григорий Степанович
  • Курленя Михаил Владимирович
  • Пахомов Владимир Алексеевич
SU896240A1
Способ контроля напряженного состояния горных пород при разработке месторождений с твердеющей закладкой 1988
  • Мельников Виктор Алексеевич
  • Магауянов Муфтигазы Меркешевич
  • Джумабаев Руслан Надиршахович
SU1573173A1
Способ определения прочностных свойств твердеющего закладочного массива 1982
  • Каминский Данил Адольфович
  • Воротников Владимир Иванович
SU1151682A1
Прибор для излучения физико-механических свойств закладочного массива 1975
  • Шаламберидзе Федор Федорович
SU601415A1
Способ установки реперов для контроля смещений искусственного массива в жидком и твердом состоянии и устройство для его осуществления 1979
  • Ахвердиев Иса Ахверди-Оглы
SU920211A1
Устройство для определения усадки закладочного массива и смещений пород кровли и почвы 1987
  • Мектешев Мэлс Габдушевич
  • Чабдарова Юлия Ивановна
  • Жужгов Юрий Васильевич
  • Букин Александр Николаевич
  • Шамганова Ляззат Саевна
SU1492052A1
Способ испытания грунтов и устройство для его осуществления 1981
  • Воробьев Евгений Александрович
SU966149A1
СТЕНД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1979
  • Имангалиев Асер Имангалиевич
  • Мальшакова Нелли Ивановна
SU825952A1
Способ измерения механических напряжений в массиве модели горных пород 1978
  • Кацнельсон Арен Шмеркович
SU881318A1
ЛИБЕРМАН Ю.М., ХАИМОВА-МАЛЬКОВА Р.И., Давление горных пород на закладочный массив с

RU 2 254 465 C1

Авторы

Константинова С.А.

Крамсков Н.П.

Филатов А.П.

Даты

2005-06-20Публикация

2004-02-09Подача