Способ моделирования эквивалентными материалами структурных ослаблений горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

СО

с

Использование: область моделирования при изучении процесса сдвижения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых. Сущность изобретения: способ включает создание структурных ослаблений полосками из искусственного материала с размерами, равными ширине модели и высоте закатываемого слоя, с нанесением на них равномерно распределенных по площади отверстий, размер которых определяют s зависимости от сцепления структурного ослабления в натурных условиях, сцепления эквивалентного материала и размера отверстий в полоске. В качестве полосок искусственного материала можно применять лавсан, целлулоид, бумагу. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при изучении процесса сдвижения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.

На Процесс сдвижения влияют структурные ослабления, образовавшиеся в массиве горных пород. К таким структурным ослаблениям относят контакты между слоями, поверхности расланцованности в метаморфических породах, контакты между различными литологическими разностями изверженных пород, тектонические трещины большого протяжения, зоны замещения одних пород другими Они обладают некоторым сцеплением. Например, на Третьем Соликамском калийном руднике Верхнекамского месторождения обнаружено нарушение в вышележащей толще. Обработка на этом руднике ведется камерной системой с

податливыми целиками. Применение тех же параметров в зоне нарушения может привести к возникновению водопроводящих трещин в водозащитной толще и затоплению рудника. Необоснованное увеличение параметров приведет к потерям полезного ископаемого и его удорожанию.

Метод физического моделирования позволяет получить безопасные и оптимальные параметры отработки при этом важное значение имеет воспроизведение сцепления в нарушении.

Известен способ моделирования, при котором на моделях из эквивалентных материалов воспроизведение трещиноватости осуществляется насечками ножом только что изготовленного слоя, который не успел схватиться (в смесях, цементированных гипсовым раствором) или остыть (в смесях, цементированных парафином), Заданную

VI С

сл

W О 00

пространственную ориентировку трещины осуществляют наклоном ножа во время нарезки. Ножи (пластинки) могут оставаться в слое до полного его охлаждения или удаляться сразу же после нарезки кливажа.

Недостатком такого способа является то, что моделируемые трещины имеют сцепление, близкое к нулю, изменить которое в данном случае невозможно, например требуемое сцепление при моделировании нарушений составляет 0,5 сцепления массива. В этом случае точность воспроизведения сцепления известным способом будет низкая.

Известен также способ, по которому пе- ред заливкой твердеющей смеси в форму в ней устанавливают пространственную модель трещин из сгораемого или испаряющего материала, после чего прокаливают модель до сгорания или испарения матери- ала модели трещин, при этом твердеющая эквивалентная смесь несгораема.

Недостатками известного способа являются нерегулируемость сцепления между слоями, изменение физико-механических свойств эквивалентного материала при его нагреве до температуры горения, тем самым нарушается принцип подобия модели натуре (связующие эквивалентного материала парафин, канифоль имеют температуру плавления 140-170°С). Этим способом воспроизвести сцепление по трещине невозможно, поэтому достоверности процесса моделирования не будет.

Целью изобретения является повышение точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что определяют коэффициенты сцепления по трещине, эквивалентного материала и эквивалентного материала с искусственным материалом полоски, отверстия выполняют равномерно по площади полосок искусственного материала, причем суммарную площадь отверстий определяют из выражения КтР Ci

KMKM

где Si - площадь создаваемых отверстий в полоске, см2;

S2 - площадь полоски, см1;

КТр - коэффициент сцепления по трещине, кг/см2;

Км коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см2;

Ci - коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см2.

А в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцепления которого с эквивалентным материаSi S2()

лом меньше коэффициента сцепления эквивалентного материала.

Способ осуществляется следующим образом. В стенде изготовляют слоистую модель из эквивалентного материала с вынимаемым пластом. В процессе изготовления модели, начиная от пласта, изготовляют тектоническое нарушение следующим образом. Подготавливают полосу тонкого

пластичного материала шириной, равной ширине модели. Длина полосы соответствует длине тектонического нарушения на модели. Полосу разрезают на полоски с высотой, равной закатываемому слою, чтобы не нарушить сдвижение по контакту слоев и сохранить слоистость вокруг трещины. Вполосе прорезаются отверстия, размер которых определяют из выражения I Si Кур Ci

S2 Км Км

где Si - площадь создаваемых отверстий в полоске, ем2;

$2 - площадь полоски, см2;

КТр - коэффициент сцепления по трещине, кг/см2;

Км - коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см2;

Ci - коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см ,

По приведенной формуле можно определить площадь отверстий, форма которых может быть самая разнообразная, в зависимости от удобства изготовления. Для простоты, примем отверстия квадратной формы со стороной квадрата а. Выбор размера а зависит от высоты слоя или ширины модели, чтобы размер а был в 3 или более раз меньше высоты слоя, тем самым обеспечивая лучшую равномерность расположения отверстий.

Количество отверстий определяют по величинам: Sj и а, располагая их равномерно на полосе.

Коэффициент сцепления вдоль по трещине может изменяться. Тогда соответственно изменятся размеры а и Ь.

Полоска вставляется в модель в нужном направлении одновременно засыпается

порция эквивалентного материала в стенд и разравнивается. Сверху покрывается картоном и производится укатка по известной технологии.

Для моделирования сцепления по контакту слоев порядок действий остается тот же самый. В качестве материала полосы применяется бумага с низкими прочностными свойствами, например газетная, бюварная, в которой прорезаются отверстия,

размеры которых определяются по формуле I. Полосы бумаги укладываются на укатанный слой. После этого засыпается ровным слоем эквивалентного материала и укатывается.

Используя теорию прочности Кулона, основанную на предположении, что сопротивляемость породы сдвигу по рассматриваемой площадке равна сумме сцепления и величины, пропорциональной нормальному напряжению на этой площадке, запишем

C :T:-tgFG,

где :Т: - абсолютная величина предельного напряжения сдвига;

tgF - коэффициент внутреннего трения (F - угол внутреннего трения);

G - нормальное напряжение.

Испытания по определению сцепления искусственных материалов (бумаги, лавсана, целлулоида) с эквивалентным материа- лом проведены в матрицах. Так как коэффициент сцепления определяется на единицу площади, замеряют площадь матриц, Полученную нагрузку сдвига относят к площади матрицы. Поэтому сцепление в структурных ослаблении модели можно изменять площадью контактов, разбивая для этого требуемое направление плоскости структурного ослабления на площадки, по которым изменяют коэффициент сцепле- ния.

Сцепление структурного ослабления удобно задавать в частях от сцепления в толще, т.к. не требуется в этом случае пересчет на подобие. На основании известных данных, полученных в натурных условиях, коэффициент сцепления структурных ослаблений может изменяться в пределах от О до 0,5 сцепления массива.

Сцепление Км используемого песчано- парафинового материала составляет 0,4- 0,8 кг/см . При использовании в качестве материалов для полосок бумаги, лавсана, целлуойда в песчано-парафиновых моделях получается, что С1 « Км, поэтому при выбо- ре размера отверстий в выражении I отношение будет, мало и им пренебрегают.

После изготовления модели производят ее испытания, по результатам которых мож- но судить о влиянии нарушения на состояние водозащитной толщи при выборе опти,мальных параметров отработки.

Точность моделирования (испытания) зависит от точности воспроизведения сцеп- ления нарушения в модели. При сцеплении структурного ослабления, равном 0,5 сцепления модели, и коэффициенте сцепления эквивалентного материала 0,6 кг/см2 получим коэффициент сцепления структурного

ослабления в предлагаемом способе 0.3 кг/см2, а в прототипе 0,01 кг/см2.

Способом-прототипом не удается достичь цели, т.к. сцепление по трещине составляет 0,017 сцепления материала, а требуется 0,5.

Моделирование нарушений предлагаемым способом повышает достоверность, т.к. позволяет учитывать по всей траншее коэффициент сцепления.

Пример конкретного применения,

Целью моделирования является выбор параметров отработки пласта Кр2, Третьего Соликамского рудника, в районе нарушения, расположенного в водозащитной толще. Вынимаемая мощность пласта 2,5 м, глубина залегания 310м.

По натурным исследованиям установлено, что в существующем нарушении над 1 панелью, коэффициент сцепления в два раза меньше чем в толще.

Для моделирования использовалась модель масштаба 1:300, слои модели разделялись чешуйчатой слюдой, т.к. данные о сцеплении по контактам отсутствуют. Слои имеют горизонтальное залегание.

Мощность наносов 10-15 м, применяемый эквивалентный материал для них состоит из кварцевого песка 97% и минерального масла 3%. Водозащитная толща 150 м, состав эквивалентного материала: песок - 60%, мика - 30%, парафин - 10%. Для остальной толщи: песок - 70%, мика - 25 %i парафин - 5%.

В качестве искусственного материала для полосок (трещин) применялся лавсан. Размер полосок 300 мм (ширина модели) X 20 мм (высота слоя). Высота трещины 600 мм. Количество полосок равно 600:20 30 штук. Форму отверстий принимаем квадратную с размером а, равным 20:3 6 мм.

Проведенными испытаниями по определению коэффициента сцепления эквивалентного материала установлено значение 0,7 кг/см2. Коэффициент сцепления эквивалентного материала с лавсаном равен 0,02 кг/см . В формуле I отношение не учитываем, т.к. С « Км, тогда

51 Ктр

52К„

0,5.

Расположив отверстия равномерно на полоске с осью симметрии 45, определим b 6.0.41 2-5 мм.

По размерам а и Ь вырезаем отверстия в полосках.

В процессе изготовления модели в слоях устанавливают полоски вдоль трещин. После изготовления модели ее оснащают

датчиками, тензометрами для снятия информации.

В процессе испытания модели отрабатывают пласт. В результате обработки информации получают графики сдвижений и деформаций поверхности и толщи, с учетом которых принимают безопасные параметры отработки.

Применяемые параметры камерной системы отработки пласта до подхода к нару- шению составляют а 10 м, b 9 м. Результаты моделирования показали, что в зоне нарушения, определяемой углами сдвижения, безопасные параметры будут равны а 5 м, Ь 10м.

Способ-прототип не позволяет задавать величину сцепления как в нарушениях, так и между слоями, тем самым снижается достоверность принимаемых параметров отработки пласта.

Применение предлагаемого способа при моделиробании контакта слоев горных пород позволит изменять величину сцепления слоев по контакту, что приведет к увеличению достоверности решаемой задачи. Структурные ослабления влияют на процесс сдвижения толщи. При расчете горизонтальных деформаций в местах нахождения структурных ослаблений вводится коэффициент перегрузки. На соляных месторожде- ниях, Опасных по прорыву воды, изменяют горнотехнические параметры или оставляют целики. Изучение структурных ослаблений позволяет уменьшить потери полезного ископаемого. Увеличение точности модели- рований сцепления структурных ослаблений позволит более надежно определить параметры отработки полезного ископаемого, величины сдвижений, деформаций толщи и поверхности. Моделирование без учета сцепления приведет к искажению результата.

Своевременное исследование нарушений в водозащитной толще необходимо в первую очередь для безопасного ведения

горных работ на калийных рудниках. В результате затопления БКПРУ-3 в 1986 году убытки государству составили десятки миллионов рублей. Повышая достоверность определения параметров отработки пласта путем моделирования в лабораторных условиях, снижаем степень угрозы затопления рудника.

Формула изобретения

с„ - QO ( ТР Ci ч

01-02 (ifи- )i

4 KM км

где St - площадь создаваемых отверстий в полоске, см2;

За - площадь полоски, см2;

Ктр - коэффициент сцепления по трещине, кг/см ;

Км - коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см2;

Ci - коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусст- йенной полоски, кг/см2.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцеплений которого с эквивалентным материалом меньше4 коэффициента сцепления эквивалентного материала.