Способ моделирования напряженного состояния горных пород Советский патент 1989 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к способам лабораторных исследований при физическом моделировании напряженного - деформированного состояния слабых рыхлых руд, находящихся под большим давлением, создающим угрозы образования выбросов этой руды с последующим аварийным затоплением выработок на десятки и сотни метров, вследствие перехода руды в плывунное состояние.

Целью изобретения является повышение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плывунных свойств.

На фиг. 1 изображена схема моделирования из оптически активного материала; на фиг. 2 - перемещение по оптически активному материалу зонда и снятие образующихся изохром вокруг

него; из Лиг. J . no картине изохром расчетных характеристик на фиг. i - схема ;1оделирования из сспецуемой руды.

Способ ьоцелит1| Гз Иин напряженного состояния горных вк.т ючает два этапа ; под г foви г f.ju- Ht, я р 1-1бочий ,

Подготов -; ff г| нкги 3T4V1 состоит в следующем,

В прямоуг ольную (в продольном и |поперечном гечс-Нмя;-) смкосгь 1 (фиг. укладывают отич-аскс лн глимьй материал 2, по KOTOi;iiMv ;и)е и;тоит с помощью троея j протя гт-ва гь эоид 4. Ширина емкости 1 дотгжн 1 fit.n ь бличка диамет :у T:;I.U - , ;;: оо iM-ri:-4 i 4H Наб.ПК-да1 М 3;-- и ча ;;.i;Tiii/, :nii:ir; -(M. TiJHнием оптнческч актип ;:; : мат1;р1 ала

стенк1. емкости

ньикхпняют из проз . rji

ПО ТХрПС

(П

злу .

б Г) К П Г i-J .

к

: f- a ;-on; :i on i.lip ., MTV: 0 . .(I H yiO ;Ъ 1ТОП.1м- НГ: 41

Л я p H С im П d rn П с к у ОДНОВр :К 1НО С J,

отмеч.ч; t ве И;Чи;-у троса 3 ; СО Л i г c i .v yCfUiu; гl..: ,;и НИИ ilHdJlHSc . ;:i:r;U ИЗОбарь; iij TJn 4 (ФКГ . 2; , по Kft -(шиг 3) С П рел;. но г о 11 ар t м с т р а

Посль г 1.Ч : lir.;:- .-- этапу нс1,целироь;п;ии . чески ак I мьи( рачного материала, папримб.р из оргстекла. Когда уровень матсгшапа 2 достигает отметки i. г(М -} ет птв пощей уровню размещения тс-.лн 4, укладывают зонд А с TpocijM ,, /крепляют ди намометр 6 п соодиниюг тпис 5 барабаном 7, jf .MTOpijfH Hafi:-;,, приподом 8j fjbin;-, 1-.жив- н npi - i l; . отметки 5, Уклс1,)/ М:Гге.риал .i JV всрхно-й

OrMfi Iislf 3 () : 1 . iO.llH IK ПОДд ОM-J c:ic)ie 9 т л и,э11Т1ивают

H.- h- iaMnibni ч :Т5-- Т- КТерИ 1 -ч1:ачной

o/fr 4,3 TIBC; 1 ;111 ЦЬ ) по --iHV И . ПХрОМ и

,,) д,lт;aлr м ;тpa

1Лип .ТЯЖ.-:ИНЯ ч, v j г , ГС ЗОМу

, Г и trHoBa J-, ri,44r,;. строя : .i:o soHiL

1 1 ii, .. ; Hej-i i LiM . р- 1 чет nu, V 1сл;ца 4, ) I Hi :( |-1гняя огпи- н i сгл -пve

10

15

20

25

30

,

40

45

50

55

пространство между перегородкой 1I и торцовой стенкой 10 лотка 10 укладывают гравий 12, Вблизи стола

9монтируют установку для создания фильтрационного потока в исследуемом материале. Установка состоит из камеры 3, поршня 14, груза 15 и соединительных труб 16 с запорно-регули- ровочным вентилем 17. Лоток 10 снабжают патрубком 18, представляюпшм собой модель выработки. На столе 9 около лотка 10 размещают емкость (лоток)

19для сбора отфильтровавшейся через модель из исследуемого материала 20 жидкости (воду) 21. Наполняют лоток И водоп и укладьшают в него иссле- ;;уем1,п материал 20, размещая в нем датчики 22 давления, регистрирующие общее (поровое и эффективное) напряжение в лотке 10. Для достижения однородности укладываемого материала

20в лоток 10 воду заливают порциями послойно и равномерно укладывают исследуемый материал, поскольку при укладке дисперсного материала в воду вначале оседают крупные тяжелые чатицы, а затем более мелкие. Уровень Г(.ды Б лотке постепенно повышают по мере 1)авномерной укладки слоев ма- терпалл по площади лотка с тщательным его уплотнением.

Ко1да у)овень уложенного в лоток

10материала 20 достигает отметкт 5 |фи;. 4)5 соответствующей отметке

n.f-;Mr nTp}(j.{ троса 3, укладывают на по- RC px :ocTb материала зонд 4. Ipoc 3 снабжают динамометром 6. Для протяги- :. зондя 4 трос подсоединяют к оарапану 7 с пр :водом 8, Затем снова -лладызают исследуеь ьй материал 20 г

до лзетг.неи отметки 5 . На поверлНость .),;jyL-Mn о материала укладьтают ; г ,(f.i. оболочку 23, а ее полостт.- ( дпияк т с источником 24 гидростати- .-; с ко 1(3 дав.пеиия. Устанавливают мано- иечр 2)., отмечающий величину порового (гидростати геского) давления в иссле- 1,уемом м;гге1)ияле 20. Лоток 10 гермети- чируют с иомг1щью крышки 26 (уплотни- (Ч льиче гчинты крьш1ки 26 не показаны).

Вторг й (рабочт 0 этап способа мо- ,делиро1зания состоит в следующем,

По.ааыт воду 21 по трубе 16 под давление.-- создаБаем -1м грузом 15 в камере 13, повьюая гидростатическое ,;;авлени(; ч лотке 10. Цодают глицерин ( p ..-i OByra оболочку 23, создавая -(,АМ}1оа . .: ффективкое напряжение в ис515

следуемом материале 20, Затем путем ступенчатого увеличения давления подаваемой по трубе 16 воды создают фильтрационный поток требуемой скорости по материалу 20, Фильтрационный поток создают между перегородкой 11 и ьюделью 18 выработки. Заданное равномерное размещение отверстий в перегородке 11 обеспечивает требуемое равномерное истечение фильтрационного потока по поперечному сечению лотка 10. Для достижения расчетных значений прочности исследуег й мате

20

риал выдерживают при заданной величи- 5 небольшую глубину, вызывая разрушение

породы в условиях сжатия, а затем по мере углубки его в породу, возникают напряжения растяжения, в результате чего под вершиной конуса образу-, ется трепщна разрыва (фиг. 2), которая распространяется вглубь по радиусу (фиг. 3, кривая ас), равном трем диаметрам основания зонда. При этом от массива отделяется элемент породы 5 аЬс с образующей конуса al (фиг.2), распределяясь по сторонам в пределах зоны влияния конуса. Затем происходит дальнейшее внедрение зонда и отрыв блока аЬс, и процесс повторяется. Для установления зависимости между возникающими силами при внедрении конуса в породу используют уравнение моментов относительно точки С, вокруг которой сдвигается блок аЬс при отрыве. Момент силы N (нормальной к

не эффективного и порового давлений в течение времени, соответствующего периоду консолидации исследуемого материала при компрессионных испытаниях. Затем снова увеличивают давление фильтрационного потока до тех пор, пока из патрубка 18 в лоток 19 начнет поступать мутная вода с мелкими частицами исследуемого материала. После начала помутнения воды сохраняют постоянным достигнутое давление фильтрационного потока.

Для определения прочностных характеристик исследуемого материала в условиях данного предельного напряженного состояния с помощью троса 3 протягивают зонд 4 по исследуемому материалу и отмечают усилие натяжения троса динамометром 6. Затем определяют прочность материала по зависимости

30

35

образующей конуса) равен У N.cd.

Г (()-sinei:; ж -

е Gj. - прочность исследуемого материала на сжатие, Н/м ; тяговое усилие на зонд в модели из исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н; 0,5 величины угла при вершине зонда, град; угол, определяемьй по изо- хромам по модели из эквивалентного оптически активного материала, град; величина радиуса зонда, м; эмпирический коэффициент.

Р 9 oL R

К

По полученным значениям предельного гидростатического напора и прочности исследуемого материала в условиях данной гидростатики можно прогнозировать плывунные свойства материала в натурных условиях.

Зависимость (1) получена и следующих предпосылок.

Экспериментальными исследованиями с оптически активным материалом установлено, что при внедрении зонда вокруг него формируется поле напряжений (фиг. 2), изолинии которого показывают направление увеличения напряжений t со значениями С (2; 4; 6; 8; 12; 16; 2А; 26; 28; 32)

вокруг зонда при соответствующей нагрузке Р. Вначале под действием осевой нагрузки Р зонд внедряется на

20

5

5

30

породы в условиях сжатия, а затем по мере углубки его в породу, воз ют напряжения растяжения, в резул тате чего под вершиной конуса об ется трепщна разрыва (фиг. 2), к рая распространяется вглубь по р усу (фиг. 3, кривая ас), равном диаметрам основания зонда. При э от массива отделяется элемент по 5 аЬс с образующей конуса al (фиг. распределяясь по сторонам в пред зоны влияния конуса. Затем происх дит дальнейшее внедрение зонда и рыв блока аЬс, и процесс повторяе Для установления зависимости м возникающими силами при внедрении нуса в породу используют уравнени моментов относительно точки С, во круг которой сдвигается блок аЬс отрыве. Момент силы N (нормальной

35

образующей конуса) равен У N.cd.

(2)

Момент силы Т (перпендикулярной к плоскости отрьша ас),представляющей собой сопротивление породы разрыву, равен

.

(3)

45

Выражая cd и ее через параметры конуса, получают

М.

NR.

sinoi

(A)

М

P2 8inoC

(3)

где G p - прочность породы на растяжение.

Разрыв сплошности массива и отрыв блока аЬс происходит при условии

(6)

или

7

R.cos (il91 ,, ilE- J- sino 2 sino

(7)

Удельная статическая нагрузка на зонд при условии (6) определяется по формуле

P-N.8in9 . (8)

Решая (7) относительно N и подставляя в (8), получают

Р .+ 0)81поС Р TR sinT

(9)

Принимая (9) на основании экспериментальных исследований, например для рыхлой руды0 f K-(Jp 4,5ffp, получают окончательно

Р

К Р- cos(«6+0)sinoC

с f Зная величины

иС р в условиях

предельного напряженного состояния можно составить расче- ный паспорт прочности породы.

Пример, Определяют плывунные свойства рыхлой железной руды. Моделирование начинают с размещения в емкости 1 (фиг. 1) оптически активного материала - игдантина, в состав которого входит, %: фотожелатин 15; глицерин 20; вода 65; нафтол 0,001. Приготовление материала производят по известной технологии. Емкость 1, изго товленная из оргстекла, представляет собой рамку, состоящую из двух пара.1шельньгх между собой частей, причем расстояние между этими чacтя й емкости равно 0,01 м. При укладке игдантина в емкости 1 в нем размещают конусообразный зонд диаметром 0,01 ми подсоединяют к зонду трос с динамометром. Трос диаметром 0,0015 навивают на барабан диаметром 0,02 м снабженный электромотором. Вблизи емкости 1 устанавливают на штативе поляриском, предназиачениый для измерения напряжений в горных породах. Протягивая по игдантину зонд, фотографируют на цветную фотопленку образующуюся в полярископе картину изо хром и одновременно с помощью дина-, мометра отмечают величину усилия натяжения троса. На основании анализа полученных данных строят изобары пол напряжений вокруг зонда (фиг, 2), по которым в дальнейшем (фиг. 3) определяют величину о - для зонда: в -15°; 9 22, R-0,005 м.

8

5

0

5

0

5

0

5

5

Затем переходят к подготовке модели из исследуемой руды. Для этого в устройстве для реализации предлагаемого способа вместо емкости из оргстекла устанавливают лоток из стальных листов толщиной 0,003 м, размеры лотка 0,40 0,50 « 0,30 (h) м (фиг. 4), В лотке размещают вертикальную перфорированную стальную перегородку. В пространстве между перегородкой и стенкой лотка укладьшают гравий. Лоток снабжают патрубком, служащим модельюf выработки, причем диаметр стального патрубка 0,05 м. Вблизи стола, на которюм размещен лоток, монтируют установку для создания фильтрационного потока в исследуемой модели, состоящую из камеры, порщня с грузами, соединительных труб и запор- ио-регулировочной арматуры. Около лотка размещают.емкость для сбора от- фильтровавюейся через модель жидкости. Наполняют лоток водой, после чего в воду укладывают исследуемую тонкодисперсную руду равномерно по площади с тщательным уплотнением, разме- ofooT в руде датчики давления, регистрирующие общее (поровое и эффективное) напряжение,и укладывают на требуемой отметке зонд. После укладывания руды до верхней отметки на ее поверхность укладывают резиновую оболочку, подсоединенную к источнику гидростатического давления - масляному насосу, позволяющему создавать давление до 50-10 Н/м, Устанавливают манометр для измерения порового давления в руде. Короб с рудой герметизируют с помощью КрЬЩ1КИ,

После этого подачей глицерина под давлением в резиновую оболочку создают Нормальное давление Н/м на руду с требуемым эффектнвньм напряжением G, 1 ,8 10 Н/м . Выдерживают РУДУ под давлением в течение 15 мнн, необходимых для ее консолидации. После этого повышают давление фильтрационного потока по руде до 10 Н/м . ,

При достижении градиентом капора фильтрационного потока 1д 12-10 Н/м фиксируется помутнение воды, отфильтрованной из лотка с рудой, н начало выноса мелкой фракции руды диаметром мк. Поддерживая достигнутое давление фильтрациониого потока ( к 10 Н/м), с помощыо троса протягивают зонд по руде, отмечая по динамометру усилие натяжения троса Н Прочность руды на сжатие 6 определяют по зависимости (1), подставляя следуюпше данные: Н; . 15 ; 9 22,5 ; ,005 м; ,5, т.е. 14,1 Ю .

Таким образом, в исследованной руде плывунные свойства возникают при гидростатическом давлении иЮ Н/м , что соответствует высоте столба воды м при удельной массе воды у, т/м . Следовательно, для соблюдения условий безопасности про- ходческих работ по данной руде высота остаточного гидростатического напора воды при водопонижении должна быть менее м или же для обеспечения условий гидродобычи данной руды пу- тем перевода ее в плывунное состояние следует в ней создать гидростатическое давление свьше I 1210 Н/м (1,2 МПа).

Применение способа обеспечивает повьшение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление подземных горных выработок обводненными разностями рыхлых руд. Кроме того, применение предлагаемого способа позволяет выбирать методы добычи руд, например синьки, используя контро- лируеьый перевод руды в плывунное состояние с ее последующей гидродобычей .

0 15 0

5

5

Формула и обретения

Способ моделирования напряженного состояния горных пород, включающий изготовление модели из исследуемого материала, приложение нагрузки, соответствующей условиям на исследуемом горизонте горных пород, создание фильтрационного потока жидкости через исследуемый материал и проведение измерений, отличающийся тем, что, с целью повыщения достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плывунных свойств, перед изготовлением модели из исследуемого материала изготавливают модель из зквивалентного оптически активного материала с размещенным в ней зондом, перемещают последний в материале, регистрируют картину изохром и тяговое усилие перемещения зонда, затем оптически активный материал заменяют на исследуе « |й, укладывают его послойно в воду, герметизируют, ступенчато повыщают эффективное и поровое давление в модели, повьппают давление фильтрационного потока по исследуемому материалу до наступления предельного напряженного состояния, перемещают в этом материале зонд, регистрируют его тяговое усилие перемещения и определяют прочность исследуемого материала по соотношению

с

К Р, cos(o6+0)sino6 TP sinT

Изобретение относится к физическому моделированию напряженного состояния горных пород. Цель - повышение достоверности моделирования напряженного состояния обводненных рыхлых руд путем определения их плавунных свойств. Для этого перед изготовлением модели из исследуемого материала изготавливают модель из эквивалентного оптически активного материала с размещенным в ней зондом. Последний перемещают в материале, регистрируют картину изохром и тяговое усилие перемещения зонда. Затем оптически активный материал заменяют на исследуемый. Последний укладывают послойно в воду, герметизируют, ступенчато повышают эффективное и поровое давление в модели. Повышают давление фильтрационного потока по исследуемому материалу до наступления предельного напряженного состояния. Перемещают в этом материале зонд, регистрируют его тяговое усилие перемещения. Прочность исследуемого материала определяют по математической ф-ле. Способ обеспечивает повышение безопасности проходческих работ в рыхлых обводненных рудах, предотвращая аварийное затопление подземных горных выработок обводненными разностями рыхлых руд. 4 ил.

Использование способа для прогно- зирования начала образования солевого потока в горах позволяет устранить эффект внезапности его возникновения, снижая приносимый ущерб народному хо- зяйству.

Достоверность моделирования напряженного состояния горных пород позволит управлять напряженным состоянием обводненных рыхлых руд, а также обеспечить гидродобычу руды с помощью перевода ее в шшвунног состояние.

е К - эмпирический коэффициент;

Р - тяговое усилие на зонд в модели из исследуемого материала при его предельном напряженном состоянии, Н; . et - угол, определЯемьй по изохро- мам на c)дeли из эквивалентного оптически активного материала, град;

6-0,5 величины угла при вершине зонда, град;

Р. - величина радиуса зонда, м; Ggj - прочность исследуемого материала на сжатие, Н/м.

Фие.1

фиг. 2

Заказ 7929/39

Тираж 4Д9

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКРГГ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г, Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное