<<
>>

1.1.4. Теоретические концепции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок

Резонансная гипотеза. Первая попытка объяснить явление периодической изменчивости физических свойств пород вокруг выработки, по-видимому, произведена в 1972 г. в работе [2]. Волновой характер изменения прочности пород объясняется неравномерным распределением волн сжатия и растяжения при проведении ствола взрывным способом.

Наложение волн имеет эффект резонанса и выражается в их концентрации в виде затухающих с удалением от контура выработки очагов. Зональность физических свойств пород вокруг выработки, следовательно, есть следствие действия взрыва на массив. Для выработок, проведенных другими способами (например, комбайновым), явление не регистрируется. Гипотеза не объясняет зональный характер разрушения вокруг выработок, пройденных безвзрывными способами, например комбайновым [10]. Заметим, что даже при проведении выработок с применением отбойных молотков по мягким связным породам зональность деформирования массива вполне очевидна [61 - 65].

Гипотеза "зональной дезинтеграции" (гипотеза образования вокруг выработки "ложных контуров"). Гипотеза образования "ложных контуров" [21] возникла после проведения экспериментальных работ в лаборатории ВНИМИ, где последовательное образование кольцевых замкнутых трещин вокруг выработки в массиве, моделируемом эквивалентным материалом, наблюдалось визуально [22].

Рассматривается два возможных "сценария" образования вокруг выработки "ложных контуров" (периодической локализации разрушения): 1)рост трещин в эшелонах и 2) перенос в глубь массива условий упруго- пластического деформирования на контуре выработок. В первом случае зональность развивается одновременно по всей толще вмещающих пород, во втором случае зоны формируются последовательно от контура выработки в глубь массива.

Гипотеза идентичности закономерностей роста трещин в эшелонах и зонального разрушения вокруг выработки базируется на работах [66-68], где рассмотрена принципиальная возможность роста трещин в непосредственной близости друг от друга с последующим объединением их магистральным разрывом.

Гипотеза не объясняет протяженный характер "зон дезинтеграции", где как раз и происходит формирование эшелонов отрывных трещин.

Второй подход развит в работах [30, 32, 33, 69], где рассмотрена упруго-пластическая задача о выработке в горном массиве и некоторый "сценарий", но которому развитие трещин отрыва должно локализоваться вокруг выработки в областях максимума опорного давления на границе упругой и пластической зон.

Условия прочности записываются в виде Or' Go-2 Tnax - 2 To, (1.4)

где то - максимальное сопротивление пород сдвигу, определенное в эксперименте.

В этом случае на границе упругой и пластической областей напряжения имеют максимум. Характер напряженного состояния здесь изменяется от одноосного к объемному, а из экспериментов известен факт распространения трещин вдоль направления действия максимальных напряжений. Поэтому здесь, на границе и может развиться разрушение по поверхностям, касательным к поверхностям цилиндра радиуса

г = с.

В результате разрушения область пластических деформаций разгружается, поверхность г = с становится новой свободной от радиальных напряжений поверхностью - "ложным контуром" - и все рассуждения повторяются теперь уже для выработки радиусом г = с.

Рассмотренный "сценарий" не объясняет фактов одновременного развития нескольких "зон дезинтеграции" одновременно, не учитывает специфику развития трещин отрыва в массиве, не объясняет характера деформаций промежуточных зон. Попытка получения "ложного контура" выработки из решения проделана в работе [70]. Рассматривается случай запредельного деформирования массива и условия потерн устойчивости системы "упругий массив плюс область запредельного деформирования". В результате решения краевой задачи, при постановке которой учтено наличие крепи (радиальные напряжения на контуре выработки р = ро) установлено, что зависимость радиальных напряжений в массиве р = p(R) имеет экстремум. При некотором условии р=ф# система становится неустойчивой в малом: на бесконечно малых радиальных приращениях перемещений соответствующие приращения сил производят отрицательную работу.

Следовательно при р = р* наступает режим динамического разрушения.

Утверждается, что в рассматриваемых условиях простейшей трещинной структурой, способной обеспечить равновесное состояние массива , является круговая трещина отрыва, целиком охватывающая выработку. Это и есть "ложный контур".

В отличие от работы [69] рассматриваемый "ложный контур" не свободен от радиальных напряжений в силу наличия шероховатостей по берегам раскрытых трещин. Поэтому расчетная схема задачи сохраняется для новых условий, в массиве образуется второй "ложный контур" и т.д. Отмечается, что массив между контурами также подвержен трещинообразованию, но трещины здесь закрыты.

В работах [70 - 72] исследуется процесс роста трещин отрыва, моделирующих "ложный контур". Заметим, что работы [70 -72] являются первыми, где учтен характер разрушения массива вокруг выработок на больших глубинах отрывом при сжатии и разработаны критерии отрывного разрушения, учитывающие микроструктуру горных пород.

Однако в решениях автором использована упругая модель массива, не учитывающая развитие дефектной структуры породы в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия. Не проведен численный анализ решения и сравнение с данными эксперимента.

В работе [73] решена упруго-пластическая задача для выработки круглого поперечного сечения в гравитационном гидростатическом поле напряжений с двумя кольцевыми зонами пластичности: контурной и расположенной в глубине массива. На границах зон cj (i = 1,2,3) записываются граничные условия в виде

[CTr]ct = [TrВ пластической области удовлетворяется условие прочности Мизеса, в упругой - условие совместности деформаций.

В результате решения установлено, что однозначно может быть получено только выражение для определения расстояния до наружного контура "дезинтеграции" cj. Положение контуров зон внутри области пластичности без введения существенных допущений из решения получены быть не могут.

Подводя итог анализу гипотезы "зональной дезинтеграции", резюмируем, что локальное развитие трещин отрыва в массиве вокруг выработок с позиций классических моделей механики сплошной среды объяснить не удается.

Автоволновая гипотеза

Попытка применения матаппарата автоволновых процессов к описанию зональной дезинтеграции массива вокруг выработок предпринята в работах [74,75]. Утверждается, что "чисто механические" модели для описания явления зонального разрушения массива не пригодны принципиально: здесь работают законы неравновесной термодинамики, на которых и базируется теория автоволн. В работе [77,11] аппарат теории автоволн применен к термодинамике сплошных сред.

Автоволновон процесс возникает при наличии двух факторов, один из которых нелинейно активизирует процессы переноса (активатор), а второй нелинейно их замедляет (ингибитор). В качестве активатора определены напряжения и температура, в качестве ингибитора принят диффузионный отток вещества в полость горной выработки. Записаны выражения для закона сохранения энергии, импульса и энергии рассеяния.

В работах [77, 78] разработаны модели линейной термовязкоупругости и использован синергетический подход к описанию процессов разрушения. В результате численного решения задачи получено периодическое распределение деформационных характеристик пород (коэффициентов Лямэ) вокруг выработок.

Заметим, что сииергетический подход дает хорошие результаты в различных областях [76], в том числе и в геомеханике [82]. Однако его применение должно опираться на установленные механизмы явлений. В случае описания периодической локализации отрывного разрушения массива вокруг подземной выработки основным моментом является учет характера разрушения, чего как раз сделано не было. Поэтому разработанные модели имеют главным образом теоретическое значение.

По-видимому, первая попытка строгого решения задачи зонального деформирования массива предпринята в работе [79]. Рассмотрен упруго- пластический элемент среды с дилатансией двух знаков. На бесконечности задано гидростатическое распределение напряжений, контур выработки свободен от напряжений. Из решения получены границы зон дилатансии и контракции (решение не опубликовано).

Утверждается , что распределение радиальных напряжений в массиве не монотонно: в зонах контракции оно возрастает с ростом радиуса, а в зонах дилатансии - убывает. Зона дилатансии - ближняя к "нетронутому" массиву, зона контракции - перед зоной дилатансии со стороны выработки. Количество зон определяется величиной сдвига на контуре выработки, напряженным состоянием и характеристиками материала (сцеплением, углом внутреннего трения). Конструктивную критику работы затрудняет отсутствие публикации самого решения.

Упомянем также одну из первых попыток разработать "сценарий" периодических деформаций и разрушений вокруг выработок [81,81]. Попытка основана на обобщении экспериментальных данных натурных исследований, не включающие рассмотренные выше. Попытка весьма схематична, поэтому представляет только исторический интерес.

Рассмотренные модели базируются на классических представлениях механики сплошной среды. Модели либо не учитывают механизм отрывного разрушения в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия, либо не рассматривают массив горных пород как далекую от равновесия диссипативиую систему.

В работах [40, 83J предпринята попытка применения калибровочных моделей и методов неравновесной термодинамики к описанию закономерностей разрушения геоматериалов в лабораторных экспериментах с моделированием горных выработок. Показана хорошая сходимость результатов аналитических и лабораторных исследований. Однако для описания результатов натурных исследований указанная модель не применялась. Не рассматривались также вопросы влияния крепи горной выработки на развитие зон разрушения.

<< | >>
Источник: КИВА Максим Николаевич. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК И РАЗРАБОТКА РЕГУЛИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ КРЕПИ. 2004

Еще по теме 1.1.4. Теоретические концепции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок:

  1. КИВА Максим Николаевич. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК И РАЗРАБОТКА РЕГУЛИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ КРЕПИ, 2004
  2. ВВЕДЕНИЕ
  3. 1.1. Гсомеханичсскнс закономерности деформирования и разрушения горных пород в условиях больших глубин.
  4. 1.1.1. Экспериментальные и натурные исследования зонального разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок
  5. 1.1.2. Лабораторные исследования
  6. 1.13. Теоретические исследования зонального разрушения горных пород вокруг выработки
  7. 1.1.4. Теоретические концепции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок
  8. 1.3.3. Конструкции крепи в условиях зонального разрушения пород
  9. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
  10. Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗОНАЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
  11. 2.5. Закономерности деформирования массива горных пород вокруг тоннеля Тарманчуканскнн
  12. Глава 3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗОНАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК