Способ оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для количественной оценки геомеханической роли закладочного массива при его взаимодействии с целиками различного назначения. Задачей изобретения является снижение трудоемкости работ и повышение оперативности оценки несущей способности целиков при разработке месторождений с закладкой для обеспечения геодинамической безопасности земной поверхности. Для этого в способе проводят компрессионные испытания системы "цилиндрический породный образец - закладочный материал" в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца. Породные образцы, у которых отношение высоты образца к его диаметру составляет не менее 2, устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, после чего производят их компрессионные испытания с построением компрессионных кривых "вертикальная деформация - вертикальное напряжение" породного образца. Относительную реакцию закладочного массива определяют по математическому выражению. 8 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для количественной оценки геомеханической роли закладочного массива при его взаимодействии с целиками различного назначения.

При взаимодействии закладочного массива и целиков, когда целики, деформируясь, давят на уплотняющую закладку, со стороны закладочного массива на целики действует реактивное горизонтальное давление (реакция закладочного массива), в результате чего целики оказываются в объемном напряженном состоянии и обладают значительно большей несущей способностью по сравнению со случаем плоского или одноосного напряженного состояния.

Известен способ определения реакции закладочного массива по данным измерений в натурных условиях шахт и рудников, заключающийся в закладывании большого числа датчиков давления и реперных станций для измерения конвергенции породного контура в выработанном пространстве, заполненном закладочным материалом, проведении мониторинговых измерений и обработке их результатов (Якоби О. Практика управления горным давлением. - М.: Недра, 1986; Хомяков В.И. Зарубежный опыт закладки на рудниках. - М.: Недра, 1984).

Однако указанный способ обладает большой трудоемкостью, является дорогостоящим. Кроме того, результаты имеют большой разброс и малоинформативны, т. к. позволяют оценить реакцию закладочного массива только в конкретной горно-геологической и горно-технической ситуации.

Известен способ расчета реакции закладочного массива в зависимости от свойств закладочного материала и горно-технических параметров разработки, основанный на аналитическом решении задачи о напряженно-деформированном состоянии материала вокруг эллиптического выреза в плоскости, загруженного по части контура равномерно распределенной нагрузкой, которая моделирует реактивное давление закладки, и использовании условия равенства конвергенции "кровля - почва" обжатию закладки (Либерман Ю.М., Хаимова-Малькова Р.И. Давление горных пород на закладочный массив с нелинейной характеристикой усадки // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1973. - 2).

Указанный способ не позволяет учесть в полной мере прочностные и деформационные свойства пород, вмещающих выработанное пространство и слагающих несущие элементы системы разработки. Кроме того, способ предполагает стопроцентное заполнение выработанного пространства закладкой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ оценки давления в закладочной смеси, которое равно реакции закладки, заключающийся в лабораторных испытаниях в условиях компрессии системы "образец - закладка" в жестких цилиндрических матрицах, на стенках которых по периметру под углом 120^o установлены электрические тензодатчики, и построении графиков зависимости "напряжение - деформация сжатия" для керна и "деформация сжатия - боковое напряжение" для закладочной смеси (Блайт Дж.Е., Кларк И. Е. Приготовление и исследование свойств жесткой закладочной смеси для поддержания целиков// Разработка месторождений с закладкой. - М.: Мир, 1987).

Однако этот способ является достаточно трудоемким и дорогостоящим и не позволяет учесть прочностные свойства породного образца.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в значительном снижении трудоемкости и стоимости работ, а также повышении достоверности результатов за счет уменьшения степени разброса получаемых результатов, из-за чего создается возможность достаточно оперативно проварьировать широкий спектр факторов, влияющих на степень повышения несущей способности целиков при окружении их закладкой.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, включающем проведение компрессионных испытаний системы "цилиндрический породный образец - закладочный материал" в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, породные образцы, у которых отношение высоты образца к его диаметру составляет не менее 2, устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, после чего производят их компрессионные испытания с построением компрессионных кривых "вертикальная деформация - вертикальное напряжение" породного образца, и осуществляют вычисление относительной реакции закладочного массива по формуле где q - реактивное давление закладочного материала на породный образец; σ_сжо - предел прочности породных образцов на одноосное сжатие; К_у - отношение вертикального напряжения, действующего на породный образец, окруженный закладочным материалом, к вертикальному напряжению, действующему на породный образец без закладки, при одном и том же значении вертикальной деформации, которое определяют по компрессионным кривым; α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления σ₁ и бокового давления σ₂, определяемому из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема проведения компрессионных испытаний системы "образец - закладка"; на фиг. 2 и 3 - компрессионные кривые системы "образец - закладка", на фиг. 4 - обобщенный паспорт прочности породных образцов; на фиг. 5, 6, 7 - графики зависимостей относительной реакции закладки на допредельной стадии деформирования и на пределе "мгновенной" прочности от плотности закладочного материала ρ, коэффициента формы образца h/d, полноты заполнения матриц закладкой А; на фиг. 8 - графики зависимостей коэффициента упрочнения образца при его взаимодействии с закладкой от полноты заполнения матриц закладкой и достигнутых вертикальных деформаций образца.

Способ оценки относительной реакции закладочного массива иллюстрируется на примере испытаний образцов соляных пород Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей.

Для испытаний применяли максимально схожие между собой образцы-"близнецы", что достигалось технологией отбора проб и изготовления образцов и позволило выявить влияние слабых эффектов, которые в противоположном случае маскировались бы разбросом индивидуальных характеристик образцов.

Затем осуществляли лабораторные экспериментальные исследования деформирования системы "сильвинитовый образец - закладка" в допредельной и запредельной стадиях деформирования с целью оценки степени влияния на несущую способность системы "образец - закладка" таких параметров, как плотность закладки ρ, коэффициент заполнения матриц закладкой А, линейные размеры образца (d, h), отношение высоты образца к его диаметру (h/d). Испытания проводили в режиме компрессии. В экспериментах изменяли плотность закладочного материала ρ, полноту заполнения матрицы закладкой А (h₃/h), абсолютные размеры образца (h, d), форму образца (отношение его высоты h к диаметру d), отношение диаметра образца d к диаметру матрицы D (фиг. 1).

По результатам испытаний были определены и построены компрессионные кривые (фиг 2, 3), на которых: 1 - А=0,9; 2 - А=0,7; 3 - А=0.

Константа α соответствует коэффициенту упрочнения образца (повышения несущей способности) при действии не только осевого σ₁, но и бокового давления σ₂. Значение константы породы α определяли из испытаний породных образцов на сжатие с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" (фиг.4), на котором 4 - криволинейная огибающая кругов Мора, 5 - ее линейная аппроксимация, α - тангенс угла наклона прямой линии к горизонтальной оси.

По результатам эксперимента были построены графики зависимостей: - относительной реакции закладки q/σ_сжо на допредельной стадии деформирования от плотности закладочного материала ρ (фиг. 5); - относительной реакции закладки q/σ_сжо на пределе "мгновенной" прочности от коэффициента формы образца h/d (фиг. 6); - относительной реакции закладки q/σ_сжо на пределе "мгновенной" прочности от полноты заполнения матриц закладкой А (фиг. 7), на которых 6 - h/d= 2; 7 - h/d=1.

По результатам компрессионных испытаний системы "образец - закладка" в жестких матрицах с использованием построенных компрессионных кривых определяли коэффициент повышения несущей способности образца в условиях закладки по формуле

где σ_сжо - предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;
σ₂ = q - реактивное боковое давление закладки (реакция закладки) на образец;
α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления σ₁ и бокового давления σ₂, определяемому из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси.

Полагая σ₂ = q, формулу для оценки относительной реакции закладки q/σ_сжо представили в виде

где q - реактивное давление (реакция) закладочного материала на породный образец;
σ_сжо - предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;
К_у - отношение вертикального напряжения, действующего на породный образец, окруженный закладочным материалом, к вертикальному напряжению, действующему на породный образец без закладки, при одном и том же значении вертикальной деформации, которое определяли по компрессионным кривым;
α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления σ₁ и бокового давления σ₂, определяемому из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси.

На фиг. 8 приведены графики зависимостей коэффициента упрочнения К_у от достигнутых деформаций ε₁ и коэффициента А при h/d = 2. Очевидно, что при ε≤3% Ky≡1. Существенные значения K_у достигаются при ε≥4%, т.е. на запредельной стадии деформирования образца (целика).

Использование предлагаемого способа оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, позволяет оперативно оценить несущую способность целиков различного назначения при разработке месторождений с закладкой, чтобы изменить параметры очистных и закладочных работ в соответствии с конкретной горно-геологической и горно-технической ситуацией для обеспечения геодинамической безопасности недр и земной поверхности.

Формула изобретения

Способ оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку, включающий проведение компрессионных испытаний системы "цилиндрический породный образец - закладочный материал" в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца, отличающийся тем, что породные образцы, у которых отношение высоты образца к его диаметру составляет не менее 2, устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, после чего производят их компрессионные испытания с построением компрессионных кривых "вертикальная деформация - вертикальное напряжение" породного образца и осуществляют вычисление относительной реакции закладочного массива по формуле

где q - реактивное давление закладочного материала на породный образец;
σ_сжо- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;
Ку - отношение вертикального напряжения, действующего на породный образец, окруженный закладочным материалом, к вертикальному напряжению, действующему на породный образец без закладки, при одном и том же значении вертикальной деформации, которое определяли по компрессионным кривым;
α - константа породы, значение которой определяют из испытаний породных образцов на сжатие с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8