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

Формула изобретения

Способ оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном 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, у которого отношение высоты к диаметру составляет не менее 2, его устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" породного образца, определение относительной реакции закладочного массива, отличающийся тем, что дополнительно проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», после чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания, а относительную реакцию закладочного массива определяют по формуле

где - реактивное давление закладочного массива на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

₁ - осевое сжимающее напряжение, действующее на образец, равное отношению вертикальной нагрузки на образец к площади его поперечного сечения;

- скорость вертикальных деформаций;

K - отношение скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца, окруженного закладочным материалом, к скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца без закладки при одном и том же сжимающем осевом напряжении ₁;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления ₁ и бокового давления ₂, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести образца при увеличении уровня нагружения ₁/ _сжо, определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения ₁/ _сжо - натуральный логарифм скорости деформаций ln» как тангенс его наклона к горизонтальной оси,

после чего строят номограмму зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения его высоты к высоте породного образца при различных уровнях нагружения ₁/ _сжо системы, по которой определяют относительную реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку.

Описание изобретения к патенту

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

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

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

Однако указанные способы обладает значительной трудоемкостью и являются поэтому дорогостоящими. Кроме того, получающиеся результаты имеют большой разброс и недостаточно достоверны, т.к. позволяют оценить реакцию закладочного массива только в той конкретной горно-геологической и горно-технической ситуации, где проводятся натурные наблюдения.

Известен 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° 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 также является достаточно трудоемким и дорогостоящим, не позволяет учесть прочностные свойства породного образца. Полученные результаты оценки являются недостоверными.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ оценки относительной реакции закладочного массива при его взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку (П. №2204716, МКИ Е 21 С 39/00, БИ №14, опубл. 20.05.2003). Способ включает 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;

- 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;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления и бокового давления ₂, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси.

Указанный способ не позволяет оценить реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с боковыми породами, когда последние развивают деформации и собственно давление на закладку во времени, что через определенный период делает результаты недостоверными.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении области применения и повышении достоверности получаемых результатов за счет учета длительности взаимодействия закладочного и породного массивов, вследствие чего создается возможность более корректно решать задачи управления процессами их деформирования и разрушения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном 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, у которого отношение высоты к диаметру составляет не менее 2, его устанавливают в матрицах таким образом, чтобы ось образца проходила через ось матрицы, с построением обобщенного паспорта прочности в координатах "горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение" породного образца, определение относительной реакции закладочного массива, дополнительно проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», после чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания, а относительную реакцию закладочного массива определяют по формуле

где q - реактивное давление закладочного массива на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

₁ - осевое сжимающее напряжение, действующее на образец, равное отношению вертикальной нагрузки на образец к площади его поперечного сечения;

- скорость вертикальных деформаций;

K - отношение скорости вертикальных деформаций (на стадии установившейся ползучести породного образца, окруженного закладочным материалом, к скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца без закладки при одном и том же сжимающем осевом напряжении ₁;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него осевого давления ₁ и бокового давления ₂, определяемый из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести образца при увеличении уровня нагружения , определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения -натуральный логарифм скорости деформаций 1n » как тангенс его наклона к горизонтальной оси;

после чего строят номограмму зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения его высоты к высоте породного образца при различных уровнях нагружения системы, по которой определяют относительную реакцию закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - обобщенный паспорт прочности породы в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение»;

на фиг.2 - графики зависимости натурального логарифма скорости продольных деформаций породных образцов на стадии установившейся ползучести от уровня нагружения системы (а) и отношения высоты закладки к высоте образца - полноте заполнения жестких матриц закладкой А(б);

на фиг.3 - графики зависимости коэффициента снижения скорости установившейся ползучести образца K от полноты заложения матриц закладкой А и уровня нагружения системы: где кривые 9 при 10 при

на фиг.4 - номограмма зависимости реакции закладочного материала от уровня нагружения системы и полноты заполнения матриц закладкой А по результатам длительных испытаний системы «образец-закладка».

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» с отношением высоты (h) к диаметру (d) составляет не менее 2.

Проводили испытания породных образцов на сжатие в стабилометре с построением обобщенного паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение ₂ - вертикальное напряжение ₁» и получили данные на фиг.1, где 1 - криволинейная огибающая кругов Мора, 2 - ее линейная аппроксимация. По линейной аппроксимации паспорта прочности как тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси координат определяли константу породы , соответствующую коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только вертикального (осевого) давления ₁, но и горизонтального (бокового) давления ₂.

Затем проводили испытания породных образцов на ползучесть при сжатии осевым давлением ₁, превышающим предел длительной прочности породы , меняя значение ₁ от до строили график зависимости натурального логарифма скорости ползучести на установившейся стадии In от нагружения образца (фиг.2а), по которому как тангенс угла наклона прямой 3 к горизонтальной оси определяли константу породы , характеризующую степень увеличения скорости установившейся ползучести s при увеличении уровня нагружения образца .

Затем проводили лабораторные испытания системы «образец-закладка» на простую ползучесть в условиях двуосного сжатия при постоянной вертикальной нагрузке ₁ и зависящим от времени боковым подпором ₂(), создаваемым реакцией закладки. Испытывали породные образцы цилиндрической формы (высота h=84 мм, d=43 мм), выбуренные из одного сезонного слоя сильвинитового пласта и ориентированные перпендикулярно напластованию, в жестких матрицах с внутренним диаметром D=106 мм. Закладочный материал (гидрозакладку) отбирали в натурных условиях, он имел «возраст» 12 лет. Строили кривые ползучести в координатах «вертикальная деформация - время».

После чего породные образцы в матрице окружают закладочным материалом и проводят те же испытания. Перед испытанием образцы породы и закладочного материала покрывали гидроизоляционным покрытием, зазор между ними составлял 0,2-0,3 мм. Зазор между закладочным материалом и металлической обоймой заполняли специальным цементом, приготовленным на карналлитовом растворе. Нагружение образцов осуществляли гидравлическим способом через специальные опорные шайбы, изготовленные из сильвинита. В процессе опыта измеряли вертикальные деформации . В экспериментах изменяли степень нагружения образцов и полноту заполнения матриц закладочным материалом А=h₃ /h, где h₃ - высота закладочного образца, h - высота породного образца. Продолжительность испытаний составляла 12 месяцев.

По результатам испытаний были определены и построены графики зависимости натурального логарифма скорости установившейся ползучести породного образца от влияющих факторов (фиг.3), на которых: 3-А=0; 4-А=0,45; 5-А=0,69; 6-А=0,89; 7-

По результатам испытаний системы «образец-закладка» в жестких матрицах на ползучесть с использованием построенных графиков зависимости натурального логарифма скорости установившейся ползучести породных образцов от влияющих факторов (фиг.3) определяли коэффициент снижения скорости вертикальных деформаций на стадии установившейся ползучести породного образца в условиях взаимодействия с закладкой по формуле:

где ₃ и - соответственно скорости продольных деформаций породного образца без закладки и с закладкой при одном и том же значении ₁/ _сжо.

На фиг.4 приведены графики зависимости коэффициента К^{^} от полноты заполнения матриц закладкой А: Очевидно, что значения K существенно меньше 1,0.

Полагая, что

получим формулу для K в виде

где - предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

₁ - осевое сжимающее активное давление на породный образец;

₂=q - реактивное боковое давление закладки (реакция закладки) на образец;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только осевого давления ₁, но и бокового давления ₂, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

- константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести при увеличении уровня нагружения , определяемая из испытаний породных образцов без закладки на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения -логарифм скорости деформаций In » как тангенс его наклона к горизонтальной оси. В результате математических преобразований получим формулу для оценки относительной реакции закладки в виде

При этом оценивают как среднее в интегральном смысле на интервале времени от t=0 до времени t=t_cm стабилизации процесса деформирования системы «образец-закладка»;

На фиг.4 приведена номограмма зависимости относительной реакции закладочного материала от отношения А (высоты h₃ к высоте породного образца h) при различных степенях нагружения системы, где 13-А=0,45; 14-А=0,69; 15-А=0,89, построенная при =5,73 и =16,10.

Оценим количественно реакцию закладки на конкретном примере. Пусть разрабатывается сильвинитовый пласт с применением камерной системы разработки на глубине Н=200 м при среднем объемном весе вышележащих пород =0,021 МН/м³, при отношении высоты целиков h к их ширине b, равном 2, и коэффициенте извлечения полезного ископаемого из недр =0,6. Тогда осевое сжимающее давление на целики ₁=Н/(l-)=10,5 МПа. Если прочность пород, слагающих целики, на одноосное сжатие _сжо равна 19 МПа, то, умножая ее на коэффициент 7,25, из-за того, что целики ленточные, получим несущую способность целиков, равной 23,75 МПа, а степень их нагружения С=0,44.

Если время отставания закладочных работ от очистных принять равным нулю, свойства закладочного массива такими, как у испытанного закладочного материала, полноту заполнения очистных камер А=0,7, то согласно номограмме на фиг.5 при С=0,44: А=0,7, ; при =2,55 МПа.

Определим степень нагружения целиков при их взаимодействии с закладочным массивом С₃ при =5,73. Получаем С₃=0,25, т.е. степень нагружения целиков в окружении закладки уменьшается в 1,76 и, что наиболее существенно, изменяется режим деформирования целиков: они будут работать как жесткие, а не как податливые.

Использование предлагаемого способа оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном 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.