Горный журнал УГГУ - Результаты поиска для: Латышев О. Г.

При проходке горных выработок с помощью буровзрывных работ (БВР) большое значение имеет качество оконтуривания, т. е. получение сечения, максимально приближенного к проектному контуру выработки. Количественной мерой степени изломанности линии контура выработки служит ее фрактальная размерность. В частности, она определяет величину периметра сечения выработки в проходке. В связи с этим для количественной оценки отклонений этого контура от проектного предлагается критерий качества контурного взрывания в виде фрактального коэффициента формы выработки. Он представляет собой отношение площади сечения конформного отображения выработки к его периметру: при постоянстве площади сечения выработки чем хуже качество оконтуривания, т. е. чем больше величина периметра, тем меньше фрактальный коэффициент формы. Наличие неровностей поверхности выработки приводит к увеличению концентрации напряжений на ее контуре. Следовательно, фрактальный коэффициент формы может служить оценкой коэффициента концентрации напряжений. Для изучения данного вопроса проведены измерения сечений 32 выработок Североуральских бокситовых рудников. Корреляционный анализ результатов показал надежную взаимосвязь фрактального коэффициента формы выработок с коэффициентом концентрации напряжений на ее контуре. Полученные результаты позволяют оценивать качество буровзрывных работ и устойчивость горных пород в выработке.

В статье поднимается вопрос о взаимосвязи процессов добычи минерального сырья. Производственные циклы рассматриваются во взаимосвязи с их энергетическими характеристиками с учетом выемки в забое во времени. Проанализированы ранее опубликованные материалы по установлению взаимосвязи между процессами бурения и взрывного разрушения массива горных пород. Рассмотрены энергетические характеристики выемочных работ во взаимосвязи со взрывным разрушением и предложен подход к определению связи выемки и погрузки горной массы в транспортные средства, определено перспективное направление изучения технологических связей. Представлены результаты анализа смоделированной работы некоторых канатных гусеничных экскаваторов с разной емкостью ковша при работе в одну заходку. Показано, что энергоемкость взрывного разрушения и энергоемкость экскавации характерно связаны со скоростью перемещения забоя. При этом суммарная энергоемкость взрывного разрушения и выемочных работ снижается с увеличением скорости перемещения забоя. Последнее указывает на то, что увеличение интенсивности выемочных работ в карьере ведет к снижению энергозатрат по процессам.

В работе предлагаются функции поверхности текучести и пластического потенциала на основании ранее выполненных автором исследований. Предельной поверхностью для данных функций является поверхность разрушения твердых тел (горных пород), описываемая законом Кулона. Фактически предлагаемая функция представляет закон пластического деформирования твердых тел. Аналитически доказывается, что в процессе пластического деформирования происходит разворот структурных элементов твердого тела. На основании данных исследований объясняются некоторые несоответствия, наблюдаемые в процессе испытаний горных пород на прочность. Получен энергетический вариационный принцип разрушения (деструкции) твердых тел. На его основе объясняется появление кольцевых структур в окрестности некоторых горных выработок – явление зональной дезинтеграции горных пород. Предложена зависимость для расчета масштабного фактора данного явления. Обосновывается геометрическая близость формы поверхности скольжения в откосах к дуге окружности.

В процессах рудоподготовки по-прежнему весьма актуальной остается проблема высокого энергопотребления в технологиях дезинтеграции минерального и техногенного сырья. Исследования, выполненные на множестве руд, подтвердили, что работа внешних сил при дезинтеграции лишь в малой степени преобразуется во вновь образованную поверхность, т. е. собственно в раскрытие минералов. Одним из потенциальных инновационных направлений снижения энергозатрат на дезинтеграцию являются волновые технологии, в которых используется эффект, подобный «реологическому взрыву». В работе рассмотрены результаты исследования влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ, выступающих в качестве понизителя поверхностной энергии) на процессы разрушения объемно деформированных образцов различных руд. В отличие от «реологического взрыва», в котором инициатором разрушения являются сдвиговые деформации объемно напряженного тела, в работе представлены доказательства возможности ПАВ вызвать образование новых поверхностей за счет внутренней упругой энергии, накопленной при объемном деформировании. Исследования, выполненные на образцах титаномагнетита, железистого кварцита, хромитовых и редкометалльных рудах с различными ПАВ, подтвердили наличие эффекта самопроизвольного трещинообразования в момент подачи ПАВ в объемно деформированный материал. Микрофрактографический анализ продуктов разрушения показал, что во всех исследованных образцах руд при объемном деформировании выявлено преимущественно интеркристаллитное разрушение с минимальным числом сростков и преимущественным раскрытием рудных минералов в естественной крупности.

Разрушение горных пород в выработке при наличии развитой системы трещин происходит, как правило, за счет сдвига по плоскости ослабления. Экспериментальное исследование данного процесса осложняется большой трудоемкостью натурных испытаний и невозможностью многократного сдвига по одной и той же трещине. В этих условиях эффективным средством исследования является имитационное моделирование процесса методом Монте-Карло. Для его реализации необходимо установление количественных соотношений, определяющих характер деформации горной породы до и после достижения предельных касательных напряжений при сдвиге. В работе на основе экспериментальных исследований установлены уравнения восходящей и нисходящей ветвей деформационной кривой. Получено уравнение сдвиговой жесткости трещин на основе фрактальной размерности ее траектории. Обоснована процедура оценки остаточной прочности при сдвиге горной породы по трещине. Проверка адекватности модели путем сопоставления результатов ее реализации с экспериментальными данными показала их статистически надежное соответствие в пределах точности измерений. Использование разработанной модели позволяет изучать закономерности процесса сдвига по трещине для разных пород и условий. Усреднение множественных реализаций модели повышает достоверность получаемых данных.

Прогноз устойчивости горных пород в выработке и расчет прочных размеров крепи опирается на информацию о деформационных характеристиках породного массива. Измеренные на образцах упругие свойства пород (модуль упругости, коэффициент Пуассона) не соответствуют деформации трещиноватых массивов. Для адекватного описания напряженно-деформированного состояния таких массивов необходим учет геометрических характеристик системы трещин, которые выражаются соотношением модуля трещиноватости, ширины зияния трещин и площади контактов их берегов. В работе обсуждается методика оценки относительной площади контактов берегов трещин на базе статистического моделирования их траекторий. Рассматриваются трещины отрыва и трещины сдвига. Установлено, что по мере деформации трещин происходят разрушение соприкасающихся выступов их шероховатости и дилатансия за счет подъема по линии извилистости. В результате траектории трещин выполаживаются, что сопровождается закономерным снижением величины их фрактальной размерности. В результате статистического моделирования природных трещин разной конфигурации установлена надежная зависимость относительной площади контактов берегов трещины от их фрактальной размерности. Это позволяет оценивать модуль деформации породного массива, имеющего развитую систему трещин. Полученные данные служат основой моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов и прогноза устойчивости горных пород в подземных выработках.

При лабораторных испытаниях образцов скальных горных пород часто выявляется нелинейная связь касательных и нормальных напряжений. Эти факты однозначно указывают на существование верхней границы применимости закона Кулона. Теоретический анализ геометрических показателей положения верхнего предела закона Кулона с использованием безразмерных характеристик напряжений позволяет выявить причины отклонений результатов испытаний на срез со сжатием от линейной зависимости. Практически для всех разновидностей скальных горных пород фактические точки испытаний, выполненных с углом среза 45°, соответствуют паспорту прочности за верхним пределом применимости линейного закона Кулона. Таким образом, методика проведения и интерпретации испытаний горных пород на срез со сжатием требует существенной модернизации.

Массивы горных пород обычно находятся в предельно напряженном состоянии, и максимальные значения напряжений ограничиваются прочностными характеристиками породных массивов. Состояние предельного равновесия поддерживается разгрузкой напряжений при развитии в массивах процессов хрупкой деформации. Массовые трещины предразрушения развиваются в приповерхностной зоне хрупкой деформации. Мощность этой зоны в скальных массивах составляет 300–500 м. Сеть взаимосвязанных открытых трещин предразрушения формирует вблизи земной поверхности водоносный комплекс приповерхностной трещиноватости. Геомеханические закономерности развития процессов хрупкой деформации предопределяют формирование вертикальной трещинной зональности. Количественные закономерности развития вертикальной трещинной зональности позволяют определять основные геомеханические характеристики скальных массивов.

Состояние и свойства горных пород существенно зависят от блочного строения и трещин-ной структуры породных массивов. В силу сложности и малой воспроизводимости натурных экспериментов наиболее эффективным и информативным способом исследований является статистическое моделирование трещин на основе метода Монте-Карло. В работе обсуждаются методы моделирования траектории трещин на основе их характеристик как фрактальных объектов. Даются математические основы моделей на основе фрактального броуновского движения, аппроксимации извилистости трещин кусочно-линейными функциями и их моделирование методом срединных смещений. Управляющим параметром модели является фрактальная размерность траектории трещин (показатель Гельдера). Рассматриваются способы генерирования координат берегов зияющих трещин. Предусмотрено три реализации модели: зеркальное отражение берегов трещин отрыва; моделирование берегов трещин сдвига по единому алгоритму и определение средней линии трещин при сдвиге их берегов в заданном масштабе. Разработанные компьютерные программы позволяют моделировать трещинную структуру горных пород, а также процессы зарождения и развития трещин при различных воздействиях на породный массив в ходе его разработки.

Дилатансия играет важнейшую роль в формировании прочности и напряженно-деформированного состояния породных массивов. Она определяется раздвижкой берегов трещины при их сдвиге. В работе рассмотрен механизм дилатансии при подвижке берегов трещин по линии извилистости и шероховатости. Приведены результаты экспериментов по сдвигу горных пород по трещине. Описан линейный и нелинейный характер взаимосвязи продольных и поперечных деформаций при сдвиге пород по трещинам. Установлена зависимость параметра дилатансии от коэффициентов шероховатости и извилистости трещин. Показана процедура построения паспорта прочности горных пород при их сдвиге с использованием априори установленной величины параметра дилатансии по характеристикам геометрии трещин. Указана возможность непосредственного использования характеристик геометрии трещин для построения двухэтапного сдвига пород в нелинейном представлении паспорта прочности. Результаты выполненных исследований могут использоваться для прогноза прочности и устойчивости трещиноватых породных массивов.

Страница 1 из 4