Горный журнал УГГУ - Результаты поиска для: Прищепа Д. В.

Практика проектирования крепи подземных выработок опирается на рекомендации нормативных документов. Определяющим параметром является смещение пород массива в сторону выработанного пространства. Для его оценки предлагается комплект номограмм и поправочных коэффициентов, выбор которых достаточно субъективен, что снижает надежность расчетов. В работе на основании теоретических и экспериментальных исследований дается методика оценки коэффициента структурного ослабления породного массива и концентрации напряжений на контуре подземной выработки, основанной на фрактальных исследованиях геометрии выработки. Расчетные формулы адаптированы к различным типам трещинной структуры породных массивов: с параллельной и хаотичной системой трещин, пересекающихся трещин, формирующих блочную структуру массива. Предлагаемые методики не противоречат рекомендациям нормативных документов и существенно расширяют расчетную базу проектирования нагрузки на крепь подземных выработок.

Устойчивость обнажений трещиноватых породных массивов определяется, как правило, процессом сдвига горных пород по плоскости ослабления (трещине). Параметры сдвига зависят от прочностных характеристик вмещающих пород и геометрии трещины. В работе на примере реальных условий карьера месторождения Удачное рассмотрена процедура анализа устойчивости породного массива. Дается методика разделения и количественной оценки параметров шероховатости и извилистости трещин на основе фрактального анализа их траектории. Описывается процедура построения паспорта прочности при сдвиге пород по трещине. Определяется истинная длина траектории и площади поверхности трещин с учетом их кривизны и оценки их фрактальной размерности. Дается анализ устойчивости обнажений при разной величине угла падения трещины. Результаты анализа позволяют определить коэффициент устойчивости обнажений и допустимую нагрузку на уступы карьера. Обсуждаемые методики анализа могут найти применение для различных условий открытой и подземной разработки трещиноватых породных массивов.

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.

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.

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.

Геометрия поверхности трещин определяет площадь контактов их берегов и в этом качестве прочность и напряженно-деформированное состояние породных массивов. Задачей исследований является обоснование количественных оценок извилистости и шероховатости поверхностей трещин скальных пород. С этой целью выполнен фрактальный анализ геометрии трещин и дана сравнительная оценка различных способов определения фрактальной меры поверхностей. Рассмотрены две группы методов – исследование сечений плоскости трещин и анализ координат всей поверхности трещин. Установлены наиболее информативные способы оценки геометрии трещин. Спектральный анализ сечений позволяет определить топотезу поверхности, величина которой является критерием разделения извилистости и шероховатости трещин. Триангуляционный метод определения фрактальной размерности позволяет оценивать истинную площадь поверхности трещин и, следовательно, их несущую способность.

Устойчивость трещиноватых породных массивов определяется характером разрушения преимущественно за счет сдвига пород по трещинам. В этом случае для построения паспорта прочности пород требуется количественная оценка геометрии трещин, выраженная, как правило, коэффициентами шероховатости и извилистости. Для разделения этих характеристик предлагается методика спектрального анализа природных трещин, где критерием служит величина топотезы. Линия извилистости аппроксимируется кусочно-линейными функциями с учетом действующего нормального напряжения при сдвиге. Отклонения координат трещины от линии извилистости оцениваются коэффициентом шероховатости, определяемым по фрактальной размерности траектории трещины. Результаты экспериментальных исследований сдвига горных пород по трещине подтверждают работоспособность предлагаемой методики определения геометрических характеристик трещины для построения паспорта прочности пород при сдвиге.

Паспорт прочности при сдвиге горных пород по трещине определяется ее геометрией, которая оценивается показателями шероховатости и извилистости. Их величину рекомендуется определять путем сопоставления траектории реальной трещины с некоторыми шаблонами. Такое сопоставление связано с большой долей субъективизма. Задачей данной работы является обоснование объективных количественных оценок шероховатости и извилистости трещин. В результате выполненных исследований установлено, что трещины являются фрактальным объектом, и коэффициент шероховатости адекватно определяется их фрактальной размерностью. Вероятностной характеристикой траектории трещины может служить корреляционная функция. При ее величине, превышающей 0,5, следует выделять и исключать из фрактального анализа линию извилистости, которая аппроксимируется кусочно-линейными функциями. Средние значения углов наклона графиков этих функций соответствуют показателю извилистости трещин. Реализация данной процедуры позволила определить коэффициенты шероховатости и извилистости типичных (эталонных) трещин.