Способ исследования напряженного состояния слоистого горного массива на моделях из оптически чувствительных материалов

 

Сущность способа заключается в том, что модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, при этом о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию. 5 ил..

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (яцек Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВеДОмст80 сссР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ з1Уа

Сх у (21) 5034403/03 (2) 16.07.91 (46) 30.08.93. Бюл. гЬ 32 (71) Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (72) А.Г.Авербух, Ю.В.Мегель, В.А.Канин, Ф.Н.Воскобоев, М.А.Ильяшов, M.Т.Шевченко и 10.А.Пивень (73) Украинский государственный научноисследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (56) Авторское свидетельство СССР

1+ 1452981, кл. E 21 С 39/00, 1989.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при лабораторНЫх методах оценки изменения напряженного. состояния массива горных пород на моделях из оптически чувствительных материалов.

Целью изобретения является повышение достоверности воспроизведения реального поЛя напряжений в моделях с горными выработками и ускорение процесса исследОвания, Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования напряженного состояния слоистого горного массива, включающем изготовление модели из слоев оптическичувствительногои нечувствительного материалов, выполнение необходимых

e ðåç0â для моделирования горных выработок, исследование напряженного состоя. Й2 1838614 А3 (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СЛОИСТОГО ГОРНОГО МАССИВА НА МОДЕЛЯХ ИЗ

ОПТИЧЕСКИ ЧУВСТВИТЕЛЬН61Х МАТЕРИАЛОВ (57) Сущность способа заключается в том, что модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, при этом о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию. 5 ил,. ния горного массива при имитации разработки пласта извлечением материала модели, просвечивание модели поляризованным светом, получение оптических картин изохром и их расшифровки, модель изготавливаютт с соблюдением. аффи нного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, а геометрическиемасштабы моде. ли определяют согласно соотношению где Сх — геометрический масштаб по напластованию.

С вЂ” геометрический масштаб перпендикулярно напластованию:

1838614

Се Cz Cw !! / x

Сх

Се С»Cw.

Cn„y =С

Се С» Cw

Сх/ Су

С ггхх =- Се С}/С», Г

С Oxx = Се Cy Cz.

1/ (Се С») С} (7) Со„х =-(Се С}С,) 1 г.

О,г5 . -О,г5

E z д У!

Oxy— 1+Я дхду

С-„- — масштаб модулей упругости;

Cy — масштаб удельных весов материяЛОВ; затем лмитируют процесс сближения боковь:х пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят од-. новременно с извлечением материала модели, при этом о реальных полях напря>кений судят пересчитывая напряжения по наплас ованию по зависимости

Предлагаемый способ отличается от из1 5> вестного тем, 1ТО модель изготавливают в геометрических масштабах неодинаковых по осям ординат параллельных и перпендикулярных слоев моделируемого массива, имитируют процесс сближения бокОВых пород, исследование напряженного состояния Горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, а о реальных полях напряжений судят пересчитывая напряжения по напластованию по завлсимости

ФизическОЙ Основой заЯВЯЯемого спо- 3{) сооа являются положения теории тонких пластин, Рассмотрим основные положения этой теог/ии, полагал, что материал модели и сама порода отдельного слоя явля/отся изо- 35 тропными. "> этом случае имеем дW,,дWд йР

1 ° дх4 дх ду ду4

40.г -г ахх (1 Р г ); (2) 1 — p д х д у

Ez (дгW дгW) .()

/» ду дх где W — функция прогиба, p — коэффициент

Пуассона; Р— Внешнял сила, приложенная

Еh к поверхности слоя; D ==, — жест- 55 а (1-p ) кость слоя породы; h — толщина слоя, Подставляя преобг/азования подобия, получим

Cw Cw Cw CI (5)

Сгх Сг С4 СО

Как следует из (5), необходимо, чтобы

Cx =: Cy, Ссгхх = Coyy = С0ху, где Сх, Cy— геометрические масштабы по напластованию; С» — перпендикулярно напластованию;

С/7хх, Cayy — масштабы напряжений по напластованию, Со㻠— перпендикулярно напластова II4ko.

Таким образом, получим следующие соОТНОШСНИЯ:

Cw СР Се Cz Cw

Сх СЕ С1 Сх

Поскольку при моделировании слоистых горных пород прежде всего стоит вопрос исследования процесса расслоения пород под действием собственного веса, то следует

Внешн/ою нагрузку Р принять равной }/11. Полагая, что масштаб вертикальных прогибов

Cw такой же как и самих координат С» и толщины пластины Сь, получим из (6) Выражения (7) указывают на аффинность модели в общем случае, т.е, геометрический масштаб преобразования по оси

ОХ не совпадает с масштабом преобразования по оси OZ, Особенно наглядно аффинное соответствие модели и натуры проявляется при моделировании низкомодульными материалами очистного забоя, кровля которого представлена отдельными слоями, Если не учитывается собственный вес материала, то получим

0,5 0,5

COxx =- CE COzz

Таким образом получили геометрическис аффинные масштабы и масштабы напряжений, Теперь для моделирования горных выработок в слоистом массиве необходимо выполнить модели в соответствии с (7) или (8); в зависимости от учета собственного весоматериала. Затем имитируют процесс сближения боковых пород либо задавая сближения, либо нагрузки в зависимости от типов краевой задачи, В процессе

1838614

C CEO.25 Co,о,25 моделирования технологических процессов происходит извлечение части материала. без разгрузки модели, изменение полей напряжений,в результате чего становится возм ожным. регистрация напряжений одновременно с соотнесением уровня напряжений, и соответствующей ему, этапу технологической операции. Для получения реальных полей напряжений используют кЬэффициенты силового подобия по напластованию и перпендикулярно ему разные по величине (7), (8), Проведенные исследования на оптически чувствительных материалах показали, что при моделировании напряжений в пласте по сечению в средней части пласта по напластованию напряжения перпендикулярны и параллельны напластованию соответственно. Эти величины напряжений получены при условии, когда аффинность геометрических масштабов не учитывалась, а значит масштабы геометрических и силовых характеристик одинаковы по всем наи рэвлениям. . На фиг.1 видно. что перпендикулярные о, параллельные о х напластованию нап ряжения отличаются почти на порядок, п,ричем пик напряжений расположен на расстоянии 0,3 m пласта. Это противоречит практическим результатам шахтных исследований, где зона наибольших напряжений расположена на глубине, большей мощности пласта. Используя аффинные преобразования, получим кривые ozz и охх, A A

На фиг.1 показано, что величины напряжений приблизительно равны., что также соответствует получаемым на практике результатам (б); на фиг.2 — модель очистного забоя с крепыш без учета эффиннных преобразований; на фиг.2б — то же, с учетом преобразований; на фиг.З а, б и 4а, б — модели взаимодействия концентраторов напряжений в виде целиков и краевых частей лав (соответственно на фиг.За, 4а — без аффинных преобразований; на фиг.Зб, 4б — с ними); на фиг.5 — моделирование отработки угольного пласта с регистрацией напряжений в плоскости пласта, 8 данном случае модель представляет из себя три слоя; кровлю 1, пласт 2 и почву 3.

Способ осуществляется следующим образом.

Угольный пласт моделируется пластиной из оптически чувствительного материала, расположенного между сжимающими его оптически нечувствительными слоями. кровлей и почвой. Число оптически нечувствительных слоев может быть большим.

Направление просвечивания перпендику20

55 лярно напластованию, а напряжения, регистрируемые в модели, лежат в плоскости угольного пласта. B силу особенности поляризационно-оптического метода исследования, напряжения, перпендикулярные лучу просвечивания, т.е. напластованию, не регистрируются. Торцы пласта и слоев боковых пород нагружаются силами, моделирующими боковой распор. Один из торцов пластины оставлен свободным и моделирует очистной забой. Модель выполняют так, чтобы геометрические масштабы по напластованию находились из следующей зависимости: где С вЂ”; перпендикулярный напластованию;

CE — масштаб модулей упругости;

Cozz — масштаб напряжений, перпендикулярных напластованию.

Нагружение модели предусматривает задание на поверхности слоев усилий либо перемещений, либо смешанную задачу (на одной части пласта заданы усилия, а на остальной части — упругие перемещения). Моделирование предусматривает извлечение части материала, имитирующее выемку пласта. Одновременно с выемкой производится регистрация изменения напряженного состояния угольного пласта. Погружение поверхности пласта внешними силами осуществляется в масштабе Cozz, а по торцам — в масштабе напряжений по напластоВаНИЮ COxx = CE COzz, ПЕрЕСЧЕт регистрируемых напряжений также выполняют в масштабе Схх.

Пример конкретной реализации способа.

Исследования напряженного состояния угольного пласта проводят на модели из оптически чувствительного материала (студни желатины) и неактивного материала (силоксана). Размеры пластин 300х280 мм. Геометрический масштаб, перпендикулярный напластованию, принят равным С - 100.

Следовательно, метровый пласт моделируется слоем чувствительного материала толщиной 10 мм, Масштаб модулей упругости

Се = 5 10, а масштаб напряжений, перпен5 дикулярных напластованию, С = 2,5 10, э

Согласно принятым зависимостям, геометрический масштаб по напластованию Сх-210. Таким образом, величина захвата и расстояние до смыкания боковых пород соответствуют ма сшта бу Сх. П ри гружен ие пласта напряжениями в торцы слоев равно

Cg» = 1.1 - 10 . Затем производилась выем4

1B386l4 р СЗ} 14

Сх =

Cg,.= QCyC, 2,0

I,6

0,8

0,ч

ОФ2 ОФМ Оеб Оэе I,Р X,г 1,4 у б /6! М ка пласта и фиксирование развивающихся в плоскости пласта напряжений на кинопленку, Расшифровку напряжений вели в масштабе Ссь», Использование предлагаемого способа 5 исследования напряженного состояния слоистого горного массива на моделях из оптически чувствительных материалов обеспечивает следующие преимущества: ускоряется процесс исследования слоисто- 10

ro горного массива с 3-4 мес до 1 недели; зэ счет учета особенностей распределения напряжений в слоистом массиве повышается достоверность воспроизведения реального поля напряжений в моделях, в 15 результате чего пая вл яется возможн ость исследовать такие технологические процессы как влияние способа выемки на выбросоопасное состояние угольного пласта.

Формула изобретения 20

Способ исследования нап ряжен ного состояния слоистого горного массива на моде. лях из оптически чувствительных материалов, включающий изготовление модели из слоев оптически чувствительного и 26 нечувствительного материалов, выполнение необходимых вырезов для моделирования горных выработок, исследование напряженного состояния горного массива при имитации разработки пласта извлече- 30 нием материала модели. просвечивание модели поляризованным светом, получение оптических картин изохром и изоклин и расшифровку, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения достоверности воспроизведения реального поля напряжений в моделях с горными выработками и ускорения процесса исследования путем учета особенностей распределений напряжений в слоистом массиве, модель изготавливают с соблюдением аффинного геометрического подобия, для чего масштабы прогибов слоев и их толщины выбирают равными, а геометрические масштабы модели определяют согласно соотношению где Сх — геометрический масштаб по напластованию;

Cz - геометрический масштаб перпендикулярно напластованию;

С E — масштаб модулей упругости;

Су- масштаб удельных весов материалов, затем имитируют процесс сближения боковых пород, а исследование напряженного состояния горного массива производят одновременно с извлечением материала модели, при этом, о реальных полях напряжений судят. пересчитывая напряжения по напластованию (Сд<х) по зависимости

1838614

a) а) геометрически подобнан иодмъ С С g I00 б) вф9инам иофмь Сд, IOO, Су 458

Фиг. 2

1838614 а) a) геоеетРнческн поаобнаа ноаеав С, С„» 200 б) еФввнил коцелв С„200, С„770

Фиг.3

1838614 б) а) геокетрически аоцобнм идель С> С 500

1) еФФикная «оцель Сд 500; Сф 2000

Фиг.4

1838614

Фиг. 5

Составитель Ф.Райм

Техред М, Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор Л.Волкова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2915 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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