Горный журнал УГГУ - Результаты поиска для: Соколов В. В.

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.

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.

Работа посвящена оценке энергетического баланса роста трещин на основе учета их реальной геометрии. Предлагается методика определения истинной длины и фрактальной размерности трещин. Рассматривается механизм образования новых поверхностей трещины с учетом иерархичности ее структуры и обсуждается методика определения удельной поверхностной энергии породы.

 

Дается анализ вероятностного подхода к масштабному эффекту в горных породах, основанному на статистике экстремальных значений. Получено уравнение, связывающее прочность пород с площадью обнажений в подземных выработках. Произведена его экспериментальная проверка и получены обобщающие параметры уравнения  масштабного эффекта для основных типов пород  месторождения Юбилейное.

Дано обоснование методики оценки коэффициента концентрации напряжений по фрактальной размерности линии контура горной выработки, которая адекватно отражает степень неровности профиля выработки. Проведенный анализ шахтных наблюдений при проходке выработок с различными паспортами БВР показывает чувствительность и надежность предлагаемой оценки.

Определяющим фактором горной технологии являются прочностные свойства разрабатываемых пород. Целью приведенных исследований является разработка системы прогнозных оценок прочности породного массива на базе совместного использования результатов скважинных исследований и лабораторного определения свойств пород. Сопоставление данных акустического каротажа и скорости продольной упругой волны в образцах с учетом действия горного давления (для условий месторождения Юбилейное) позволило оценить меру поврежденности пород массива и учитывать ее при построении паспортов прочности. Полученное выражение коэффициента структурного ослабления, учитывающего масштабный эффект и блочное строение массива, дает возможность осуществлять прогноз изменения прочности породного массива по глубине залегания пород. Найденная корреляционная взаимосвязь прочности и скорости упругой волны расширяет возможности прогноза.