Способ моделирования эквивалентными материалами структурных ослаблений горных пород

 

Использование: область моделирования при изучении процесса сдвижения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых. Сущность изобретения: способ включает создание структурных ослаблений полосками из искусственного материала с размерами, равными ширине модели и высоте закатываемого слоя, с нанесением на них равномерно распределенных по площади отверстий, размер которых определяют s зависимости от сцепления структурного ослабления в натурных условиях , сцепления эквивалентного материала и размера отверстий в полоске. В качестве полосок искусственного материала можно применять лавсан, целлулоид, бумагу. 1 з.п. ф-лы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 ф .", а

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4846705/03 (22) 05,07.90 (46) 30,09,92. Бюл; ¹ 36 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт галургии (72) Л.B.Стариков (56) Кузнецов Г.Н. и др. Изучение проявления горного давления на моделях. M.: Углетехиздат, 1959, с, 129.

Авторское свидетельство СССР

¹ 649844, кл. Е 21 С 39/00, 1975. (54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ СТРУКТУРНЫХ ОСЛАБЛЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

{57) Использование: область моделирования при изучении процесса сдвижения ropИзобретение относится к области моделирования и может быть использовано при изучении процесса сдвижения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.

На йроцесс сдвижения влияют структурные ослабления, образовавшиеся в массиве горных пород, К таким структурным ослаблениям относят контакты между слоями, поверхности расланцованности в метаморфических породах, контакты между различными литологическими разностями изверженных пород, тектонические трещины большого протяжения. зоны замещения одних пород другими. Они обладают некоторым сцеплением. Например, на Третьем

Соликамском калийном руднике Верхнекамского месторождения обнаружено нарушение в вышележащей толще. Обработка на этом руднике ведется камерной системой с

- 2 ных пород при разработке месторождений полезных ископаемых, Сущность изобретения: способ включает создание структурных ослаблений полосками из искусственно о материала с размерами, равными ширине модели и высоте закатываемого слоя, с нанесекйем на них равномерно распределенных по площади отверстий, размер которых определяют в зависймости от сцепления структурного ослабления в натурных условиях, сцепления эквивалентного материала и размера отверстий в полоске. 8 качестве полосок искусственного материала -можно применять лавсан, целлулоид, бумагу. 1 з.п. ф-лы. Г а податливыми целиками. Применение тех же параметров в зоне нарушения может приве- ъ сти к возникновению водопароводящих трещин s водозащитной толще и затоплению рудйика. Необоснованйое увеличение пара- ц метров приведет к гютерям полезного ископаемого и его удорожанию.

Метод физического моделирования по- О зволяет получить безопасные и оптималь- Оо ные параметры отработки при этом важное значение имеет воспроизведение сцепления в нарушении, ° вава

Известен способ моделирования, при котором на моделях из эквивалентных материалов воспроизведение трещиноватости осуществляется насечками ножом только что изготовленного слоя, который не успел схватиться (в смесях, цементированных гипсовым раствором) или остыть (a смесях, цементированных парафином), Заданную

1765398

15

20 трещине, эквивалентного материала и эквивалентного материала с искусственным ма- 40 пространственную ориентировку трещины осуществляют наклоном ножа во время нарезки, Ножи (пластинки) могут оставаться в слое до полного его охлаждения или удаляться сразу же после нарезки кливажа.

Недостатком такого способа является то, что моделируемые трещины имеют сцепление, близкое к нулю, изменить которое в данном случае невозможно, например требуемое сцепление при моделировании нарушений составляет 0,5 сцепления массива.

В этом случае точность воспроизведения сцепления известным способом будет низкая.

Известен также способ, по которому пе

° ред заливкой твердеющей смеси в форму в ней устанавливают пространственную модель трещин из сгораемого или испаряюще. го материала, после чего прокэливают модель до сгорания или испарения матери ала модели трещин,.при этом твердеющая эквивалентная смесь несгораема.

Недостатками известного способа являются нерегулируемость сцепления между слоями, изменение физикО-механических свойств эквивалентного материала при его нагреве до температуры горения, тем самым нарушается принцип подобия модели натуре (связующие эквивалентного материала парафин, канифоль имеют температуру плавления 140 — 170 С). Этим способом воспроизвести сцепление по трещине невозможно, поэтому достоверности процесса моделирования не будет.

Целью изобретения является повышение точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что определяют коэффициенты сцепления по териалом полоски, отверстия выполняют равномерно по площади полосок искусственного материала, причем суммарную площадь отверстий определяют из выражения $1=- 2(— )

КТ,С1

KM Км где S< — площадь создаваемых отверстий в полоске, смг;

$2 — площадь полоски, см.; й, Ктр — коэффициент сцепления по трещине, кг/см;

Км — коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см; г, Cj — коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см .

А в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцепления которого с эквивалентным материа25

Ф

55 лом меньше коэффициента сцепления эквивалентного материала.

Способ осуществляется следующим образом, В стенде изготовляют слоистую модель из эквивалентного материала с вынимаемым пластом. В процессе изготовления модели, начиная от пласта, изготовляют тектоническое нарушение следующим образом. Подготавливают полосу тонкого пластичного материала шириной, равной ширине модели. Длина полосы соответствует длине тектонического нарушения на модели. Полосу разрезают на полоски с высотой, равной закатываемому слою, чтобы не нарушить сдвижение по контакту слоев и сохранить слоистость вокруг трещины, Вполосе прорезаются отверстия, размер которых определяют из выражения I

К„, $2 Км Км где $1 — площадь создаваемых отверстий в полоске, =мг;

S2 — площадь полоски, см;

2, Ктр коэффициент сцепления по трещине, кг/смг;

Км — коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см;

Cj — коэффициент сцепления эквивалентного материала с материалом искусственной полоски, кг/см, По приведенной формуле можно определить площадь отверстий, форма которых может быть самая разнообразная, в зависимости от удобства изготовления. Для простоты, примем отверстия квадратной формы со стороной квадрата "а". Выбор размера

"а" зависит от высоты слоя или ширины модели, чтобы размер "а" был в 3 или более раз меньше высоты слоя, тем самым обеспечивая лучшую равномерность расположения отверстий.

Количество отверстий определяют по величинам: S j и "а", располагая их равномерно на полосе.

Коэффициент сцепления вдоль по трещине может изменяться, Тогда соответственно изменятся размеры "а" и "b".

Полоска вставляется в модель в нужном направлении одновременно засыпается порция эквивалентного материала в стенд и разравнивается. Сверху покрывается картоном и производится укатка по известной технологии.

Для моделирования сцепления по контакту cnoes порядок действий остается тот же самый. В качестве материала полосы применяется бумага с низкими прочностными свойствами, например газетная, бюварнэя, в которой прорезаются отверстия, 1765398

10

30

50 размеры которых определяются по формуле !. Полосы бумаги укладываются на укатанный слой, После этого засыпается ровным слоем эквивалентного материала и укатывается.

Используя теорию прочности Кулона; основанную на предположении, что сопротивляемость породы сдвигу по рассматриваемой площадке равна сумме сцепления и величины, пропорциональной нормальному напряжению на этой площадке, запишем

С =:Т: — tgFG, где:Т: — абсолютная величина предельного напряжения сдвига;

tgF — коэффициент внутреннего трения (F — угол внутреннего трения);

G — нормальное напряжение.

Испытания по определению сцепления искусственных материалов (бумаги, лавсана, целлулоида) с эквивалентным материалом проведены в матрицах. Так как коэффициент сцепления определяется на единицу площади, замеряют площадь матриц, Полученную нагрузку сдвига относят к площади матрицы, Поэтому сцепление в структурных ослаблении модели можно изменять площадью контактов, разбивая для этого требуемое направление плоскости структурного ослабления на площадки, по которым изменяют коэффициент сцепления.

Сцепление структурного ослабления удобно задавать в частях от сцепления в толще, т.к. не требуется в этом случае пересчет на подобие. Ка основании известных данных, полученных в натурныМ условиях, коэффициент сцепления структурных ослаблений может изменяться в пределах от 0 до 0,5 сцепления массива.

Сцепление Км используемого песчанопарафинового материала составляет 0,40,8 кг/см . При использовании в качестве материалов для полосок бумаги, лавсана, целлуойда в песчано-парафиновых моделях получается, что С„«Км, поэтому при выборе размера отверстий в выражении! отношение С, /Км будет мало и им пренебрегают.

После изготовления модели производят ее испытания, по результатам которых можно судить о влиянии нарушения на состоя-. ние водозащитной толщи при выборе оптимальных параметров отработки.

Точность моделирования (испытания) зависит от точности воспроизведения сцепления нарушения в модели. При сцеплении структурного ослабления, равном 0,5 сцепления модели, и коэффициенте сцепления эквивалентного материала 0,6 кг/см получим коэффициент сцепления структурного ослабления в предлагаемом способе 0.3 кг/см, а в прототипе 0,01 кг/см .

Способом-прототипом не удается достичь цели, т.к, сцепление по трещине составляет 0,017 сцепления материала, а требуется 0,5.

Моделирование нарушений предлагаемым способом повышает достоверность, т.к, позволяет учитывать по всей траншее коэффициент сцепления.

Пример конкретного применения, Целью моделирования является выбор параметров отработки пласта Кр2, Третьего

Соликамского рудника, в районе нарушения, расположенного в водозащитной толще. Вынимаемая мощность пласта 2,5 м, глубина залегания 310 м.

По натурным исследованиям установлено, что в существующем нарушении над 1 панелью, коэффициент сцепления в два раза меньше чем в толще.

Для моделирования использовалась модель масштаба 1;300, слои модели разделялись чешуйчатой слюдой, т.к. данные о сцеплении по контактам отсутствуют. Слои имеют горизонтальное залегание.

Мощность наносов 10-15 м, применяемый эквивалентный материал для них состоит из кварцевого песка 97% и минерального масла 3%. Водозащитная толща 150 м, состав эквивалентного материала: песок—

60%, мика — 30%, парафин — 10%. Для остальной толщи: песок — 70%, мика — 25%, парафин — 5%.

В качестве искусственного материала для полосок (трещин) применялся лавсан

Размер полосок 300 мм (ширина модели) Х

20 мм (высота слоя). Высота трещины 600 мм. Количество полосок равно 600:20 = 30 штук, Форму отверстий принимаем квадратную с размером "а", равным 20:3 = 6 мм.

Проведенными испытаниями по определению коэффициента сцепления эквивалентного материала установлено значение

0,7 кг/см . Коэффициент сцепления эквивалентного материала с лавсаном равен 0,02 кг/см . В формуле 1 отношение С„/К„" не учитываем, т.к. С «К„,, тогда

$1 К

= — - =0.5, 52 Км

Расположив отверстия равномерно на полоске с осью симметрии 45, определим Ь

= 6, 0.41 = 2 5 мм.

По размерам "а" и "Ь" вырезаем отверстия в полосках.

В процессе изготовления модели в слоях устанавливают полоски вдоль трещин.

После изготовления модели ее оснащают

1765398

Составитель Л.Стариков

Техред М,Моргентал Корректор О,Густи

Редактор. А.Бер

Заказ 3364 Тираж - . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 датчиками, тензометрами для снятия информации.

В процессе испытания модели отрабатывают пласт. В результате обработки информации получают графики сдвижений и деформаций поверхности и толщи, с учетом которых принимают безопасные ггараметры отработки.

Прйменяемые параметры камерной системы отработки пласта до подхода к нару шению составляют а = 10 м, Ь = 9 м.

Результаты моделирования показали, что в зоне нарушения, определяемой- углами сдвижения, безопасные параметры будут равны а =5 м, Ь =10 м.

Способ-:прото ип не позволяет зада"вать величину сцепления-как-в на руйейиях, так и между слоями, тем самым снижается достоверносГь принимаемых параметров отработки пласта.

Применение предлагаемого способа при моделирбваййй койтакта слоев горных пород позволит изменять величйну сцепления слоев по контакту, что приведет к увеличению достоверности решаемой задачи, Структурные ослабления влияют на процесс сдвижения толщи. При. расчете горизонтальных деформаций в местах нахождения структурных ослаблений вводится коэффициент перегрузки. На соляных месторождениях; — бпасных по прорыву: воды, изменяют горнотехнические параметры или оставляют целйки. Изучение структурных ослаблений йозволяет уменьшить потери полезного искОпаемого, Увеличение точности моделирования сцепления структурных ослабле.ний позволит более надежно-определить параМетрЫ отработки полезнбго: ископаемого,: величйны. сдвижений, деформаций . толщи и поверхности. Моделирование без учета сцепления приведет к искажению результата.

Своевременное исследование нарушений в водозащитной толще необходимо в первую очередь для безопасного ведения горных работ на калийных рудниках. В результате затопления БКПРУ-3 в 1986 году убытки государству составили десятки миллионов рублей. Повышая достоверность оп5 ределения параметров отработки пласта путем моделирования в лабораторных условиях, снижаем степень угрозы затопления рудника.

Формула изобретения

10 1. Способ моделирования эквивалентными Материалами структурных ослаблений горных пород на моделях из эквивалентных материалов, включающий укладку эквива.лентного материала в форму и размещение

15 в эквивалентном материале по заданной схеме полосок искусственного материала с отверстиями, О т л и ч а ю щ.и и с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, определяют коэффициенты сцепления

20 по трещине эквивалентного материала и эквивалентного материала с искусственным материалом полоски, отверстия выполняют рзвномерно по площади полосок искусст венного материала, причем суммарную пло25 щадь отверстий определяют,из выражения

S1 =$2 (— — )

Кт С1

KM Км где $1 — площадь создаваемых отверстий в полоске, см2;

30 $2 — площадь полоски, см

2, Ктя — коэффициент сцепления по трещине, кг/см;

Ки — коэффициент сцепления эквивалентного материала, кг/см;

35 C> — коэффициент сцепления эквивалентнбго материала с материалом искусственной полоски, кг/см2.

2. Способ по пЛ, отличающийся

40 тем, что в качестве искусственного материала используют материал, коэффициент сцепления которого с эквивалентным материалом меньше коэффициента сцепления эквивалентного материала.