Способ исследования напряженного состояния слоистого горного массива на моделях из оптически чувствительных материалов Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

у

Ј

Сущность способа заключается в том, что модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, при этом о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию. 5 ил..

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при лабораторных методах оценки изменения напряженного, состояния массива горных пород на моделях из оптически чувствительных материалов.

Целью изобретения является повыше ние достоверности воспроизведения реального поля напряжений в моделях с горными выработками и ускорение процесса исследования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования напряженного состояния слоистого горного массива, включающем изготовление модели из слоев оптически чувствительного и нечувствительного материалов, выполнение необходимых вырезов для моделирования горных выработок, исследование напряженного состояния горного массива при имитации разработки пласта извлечением материала модели, просвечивание модели поляризованным светом, получение оптических картин изо- хром и их расшифровки, модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, а геометрические масштабы модели определяют согласно соотношению

(CECi) Су

00 CJ 00

сь

со

где С - геометрический масштаб по напластованию.

Сг - геометрический масштаб перпендикулярно напластованию;

СЕ - масштаб модулей упругости;

Су - масштаб удельных весов материалов;

затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят од-, повременно с извлечением материала модели, при этом о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию по зависимости .

А/7

С (Тхх GE Су Сг.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что модель изготавливают в геометрических масштабах неодинаковых по осям ординат параллельных и перпендикулярных слоев моделируемого массива, имитируют процесс сближения боковых пород, исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, а о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию по зависимости

/

Сахх СЕ CyCz.

Физической основой заявляемого спо- соба являются положения теории тонких пластин,

Рассмотрим основные положения этой теории, полагая, что материал модели и сама порода отдельного слоя являются изо- тройными. В этом случае имеем

.+ilw

fl х2 Д у2 д

а/

р

D

(D.

-- EZ r#J/V+..vv ч

- ----2 I 2 -1 / Г )

a2 w

1-/ ч Эх

af

(2)

rr - EZ 4 n &Ш

V 17

(3)

w

+ fl йхЭу

Ez

W

где W - функция прогиба; /и - коэффициент Пуассона; Р - внешняя сила, приложенная

к поверхности слоя; D ---

EhJ

жест-

12(1 -//) кость слоя породы; h - толщина слоя. Подставляя преобразования подобия, получим

Cw Cw Cw Ср

....

И W

г2 г2

Сх Су

(5)

г - SJ -kCw

(7w . о

УУ

Г2 Су

Cf/xy СЕ CzCw

Cxd Су

Как следует из (5), необходимо, чтобы Сх Су; Сохх Соуу С0ху, где Сх, Су геометрические масштабы по напластованию; С - перпендикулярно напластованию; Сохх, Соуу - масштабы напряжений по напластованию; C(7zz - перпендикулярно напластованию.

Таким образом, получим следующие соотношения:

СР

СЕ С

СЕ Cz Cw г2

Сх

(6)

Поскольку при моделировании слоистых горных пород прежде всего стоит вопрос исследования процесса расслоения пород под действием собственного веса, то следует внешнюю нагрузку Р принять равной yh. Полагая, что масштаб вертикальных прогибов Cw такой же как и самих координат Cz и толщины пластины Сн, получим из (6)

Гг г5 г - ( Ьг (-у- ( Су )

Со-хх - ( СЕ С у Cz)

V2

Выражения (7) указывают на аффинность модели в общем случае, т.е. геометрический масштаб преобразования по оси ОХ не совпадает с масштабом преобразования по оси OZ. Особенно наглядно аффинное соответствие модели и натуры проявляется при моделировании низкомодульными материалами очистного забоя, кровля которого представлена отдельными слоями, Если не учитывается собственный вес материала, то получим

г- г г 0.25/v.T -0,25. Сх CzCE С Ozz

СШх СЕ° 5 COzr0 5 .

(8)

55

Таким образом получили геометрические аффинные масштабы и масштабы напряжений, Теперь для моделирования горных выработок в слоистом массиве необходимо выполнить модели в соответствии с (7) или (8); в зависимости от учета собственного весоматериала. Затем имитируют процесс сближения боковых пород либо задавая сближения, либо нагрузки в зависимости от типов краевой задачи. В процессе

моделирования технологических процессов происходит извлечение части материала 60s разгрузки модели, изменение полей напряжений результате чего становится воз- Можным. регистрация напряжений одновременно с соотнесением уровня напряжений, и соответствующей ему, этапу технологической операции. Для получения реальных полей напряжений используют коэффициенты силового подобия по напластованию и перпендикулярно ему разные по величине (7), (8).

Проведенные исследования на оптиче- ски чувствительных материалах показали, что при моделировании напряжений в пласте по сечению в средней части пласта по напластованию напряжения перпендикулярны и параллельны напластованию соответственно. Эти величины напряжений получены при условии, когда аффинность геометрических масштабов не учитывалась, а значит масштабы геометрических и сило- в ых характеристик одинаковы по всем направлениям.

На фиг.1 видно, что перпендикулярные z. параллельные 0хх напластованию напряжения отличаются почти на порядок, причем пик напряжений расположен на расстоянии 0.3 m пласта. Это противоречит Практическим результатам шахтных исследований, где зона наибольших напряжений расположена на глубине, большей мощности пласта. Используя аффинные преобра;Д Д

зования, получим кривые сггг и Охх .

На фиг.1 показано, что величины напряжений приблизительно равны., что также соответствует получаемым на практике результатам (6); на фиг.2 - модель очистного забоя с крепью без учета аффиннных преобразований; на фиг.2б - то же. с учетом пре- рбразований; на фиг.3 а, б и 4а, б - модели взаимодействия концентраторов напряжений в виде целиков и краевых частей лав Соответственно на фиг.За. 4а - без аффинных преобразований; на фиг.Зб, 46 - с ними); на фиг.5 - моделирование отработки гольного пласта с регистрацией напряжений в плоскости пласта. В данном случае Модель представляет из себя три слоя: кровю 1, пласт 2 и почву 3.

Способ осуществляется следующим образом.

Угольный пласт моделируется пластиной из оптически чувствительного материаа, расположенного между сжимающими го оптически нечувствительными слоями, кровлей и почвой. Число оптически неч увст- аительных слоев может быть большим. Направление просвечивания перпендикулярно напластованию, а напряжения, регистрируемые в модели, лежат в плоскости угольного пласта. В силу особенности поля- ризационно-оптического метода исследования, напряжения, перпендикулярные лучу просвечивания, т.е. напластованию, не регистрируются. Торцы пласта и слоев боковых пород нагружаются силами, моделирующими боковой распор. Один из

торцов пластины оставлен свободным и моделирует очистной забой. Модель выполняют так, чтобы геометрические масштабы по напластованию находились из следующей зависимости:

Cx CzCEu

.0.25 C№z-0.25

где Cz - геометрический масштаб, перпендикулярный напластованию;

СЕ -- масштаб модулей упругости;

COzz-масштаб напряжений, перпендикулярных напластованию.

Нагружение модели предусматривает задание на поверхности слоев усилий либо

перемещений, либо смешанную задачу (на одной части пласта заданы усилия, а на остальной части - упругие перемещения). Моделирование предусматривает извлечение части материала, имитирующее выемку пласта. Одновременно с выемкой производится регистрация изменения напряженного состояния угольного пласта. Погружение поверхности пласта внешними силами осуществляется в масштабе Cozz, а по торцам - в масштабе напряжений по напласто- ванию Co™ Се0 5 Cozz° 5. Пересчет регистрируемых напряжений также выполняют в масштабе Схх.

Пример конкретной реализации способа.

Исследования напряженного состояния угольного пласта проводят на модели из оптически чувствительного материала (студни желатины) и неактивного материала (силоксана). Размеры пластин 300x280 мм. Геометрический масштаб, перпендикулярный напластованию, принят равным Сг 100. Следовательно, метровый пласт моделируется слоем чувствительного материала толщиной 10 мм. Масштаб модулей упругости СЕ 5 105, а масштаб напряжений, перпендикулярных напластованию, Czz 2,5 -103. Согласно принятым зависимостям, геомет- рический масштаб по напластованию Сх

Использование предлагаемого способа исследования напряженного состояния слоистого горного массива на моделях из оптически чувствительных материалов обеспечивает следующие преимущества: ускоряется процесс исследования слоисто- го горного массива с 3-4 мес до 1 недели; за счет учета особенностей распределения напряжений в слоистом массиве повышается достоверность воспроизведения реального поля напряжений в моделях, в результате чего появляется возможность исследовать такие технологические процессы как влияние способа выемки на выбросо- опасное состояние угольного пласта.

Формула изобретения Способ исследования напряженного состояния слоистого горного массива на моде- лях из оптически чувствительных материалов, включающий изготовление модели из слоев оптически чувствительного и нечувствительного материалов, выполнение необходимых вырезов для моделирования горных выработок, исследование напряженного состояния горного массива при имитации разработки пласта извлече- нием материала модели, просвечивание модели поляризованным светом, получение оптических картин изохром и изоклин и рас

г/см

Czz

0,8

/

7

0,2 0.4. 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 i(6 tntM Фиг. I

шифровку, отличающийся тем, что, с целью повышени я достоверности воспроизведения реального поля напряжений в моделях с горными выработками и ускорения процесса исследования путем учета особенностей распределений напряжений в слоистом массиве, модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, а геометрические масштабы модели определяют согласно соотношению

Сх

(CteCh

Су

VA

где Сх - геометрический масштаб по напластованию;

Сг - геометрический масштаб перпендикулярно напластованию;

СЕ масштаб модулей упругости;

Су- масштаб удельных весов материалов,

затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, при этом, о реальных полях напряжений судят, пересчитывая напряжения по напластованию (Сохх) по зависимости

С(7хх- CeCyCz

OgtZ

V / / / У /

/ /

i ...у-V - .. .L ч-ч Я

.

в)

&) геометрически подобная модель СЛ С v « 100 б) аффинвм модель Сд - 100, С х- 58

Фиг. 2

«О

О геометрически подобная модель Сх Сх- 200 б) афшыая модель Сд 200, Сх« 770

Фиг.З

ЛИф

0002 О 005 0 iiratio шзнаиффв (jx

QQg юЛ з Q ЧРЭИОИ WrapOtiOD ИК08ЬИЙ1аяОЭЛ (В

(Р

t L98C8l