Спосіб прогнозної оцінки напружно-деформованого стану масиву гірських порід у забої виробки

Реферат: Винахід стосується гірничо-видобувної промисловості і може бути використаний при проходці виробок по міцних напружених гірських породах складної будови. Відповідно до способу прогнозної оцінки напружно-деформованого стану масиву гірських порід у забої виробки спочатку у місці закладання підготовчої виробки визначають напрямок її проведення. Потім по її перетину в характерних зонах бурять розвідувальні свердловини та відбирають орієнтовані керни. В лабораторних умовах формують зрізи по трьох взаємно-перпендикулярних площинах, визначають в них напрямок лінійної структури породоутворюючих мінералів та виготовлюють орієнтовані петрографічні шліфи, в яких по мінеральних зернах встановлюють морфологічні особливості, інтенсивність та просторове положення виділених мікротріщин. З урахуванням просторового положення лінійної структури породоутворюючих мінералів проводять ідентифікацію головних систем мікротріщин, при цьому по характеру просторового розподілу результуючих векторів систем мікротріщин, їх інтенсивності та орієнтації визначають відносну величину і напрямок головних стискаючих напружень в масиві гірських порід і судять про його напружно-деформований стан в забої підготовчої виробки. Спосіб забезпечує підвищення ефективності руйнування напружених гірських порід по перетину виробки, що підвищує швидкість проходки виробки. UA 100054 C2 (12) UA 100054 C2 UA 100054 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гірничої справи і може бути використаний для прогнозної оцінки напружно-деформованого стану (НДС) масиву гірських порід навколо підготовчої виробки або камери під час її проведення. Відомий спосіб визначення НДС масиву гірських порід (матеріалу), який включає відбір зразків, їх випробування і виявлення передвісника руйнування масиву шляхом реєстрації максимальної температури на робочій ділянці зразка з побудуванням залежності зміни максимальної температури від ступеня деформації, а момент початку руйнування встановлюють по зниженню температури зразка на стадії передруйнування [1]. Недолік способу є у тому, що при його реалізації неможливо виконати оцінку передвісників руйнування масиву при випробуванні анізотропної гірської породи (зразків), яка характеризується відмінністю фізико-механічних властивостей у різних напрямках. Найбільш близьким аналогом по своїй суті і результату, що досягається, у порівнянні з заявленим технічним рішенням, є спосіб визначення НДС масиву гірських порід, що включає буріння свердловин, відбір зразків (кернів), визначення їх фізико-механічних властивостей з наступним встановленням компонент поля напружень подовжніх і поперечних деформацій не менше, ніж у трьох точках по периметру зразка і встановленням характеру деформаційних процесів в масиві гірських порід (ГП) [2]. Недолік наведеного способу є такий, що при встановленні параметрів НДС масиву гірських порід не враховується просторове положення виробки, що ведеться, по відношенню елементів будови анізотропного гірського масиву – вектору лінійності породоутворюючих мінералів і параметрів мікротріщинуватості (інтенсивності, просторового розподілу мікротріщин, їх протяжності і морфологічних особливостей - довжини і величини розкриття), що в деякій мірі характеризує відносну величину і закономірність розподілу головних стискаючих напружень (1, 2 і 3) у забої підготовчої виробки. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу прогнозної оцінки напружнодеформованого стану масиву гірських порід у забої виробки, в якому за рахунок буріння в характерних зонах перетину підготовчої виробки розвідувальних свердловин та відбору орієнтованих кернів, по яких в лабораторних умовах судять про параметри, інтенсивність та просторовий розподіл систем мікротріщиноватості в масиві гірських порід та визначають відносну величину і напрямок головних стискаючих напружень (1, 2 і 3) в місці закладки та по ходу проведення підготовчої виробки, досягається підвищення ефективності вибуху зарядів вибухових речовин (ВР) по перетину виробки при руйнуванні напружених гірських порід і, як наслідок, підвищення коефіцієнта корисної дії вибуху і коефіцієнта використання шпурів та продуктивності роботи вантажно-транспортних засобів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі прогнозної оцінки напружнодеформованого стану масиву гірських порід у забої виробки, що включає буріння свердловин, відбір зразків гірських порід (кернів), визначення фізико-механічних характеристик і деформацій породи, згідно винаходу, спочатку у місці закладання підготовчої виробки визначають напрямок її проведення, потім по її перетину в характерних зонах бурять розвідувальні свердловини (шпури), здійснюють відбір орієнтованих кернів, в лабораторних умовах формують зрізи по трьох взаємно-перпендикулярних площинах і визначають в них напрямок лінійної структури породоутворюючих мінералів, виготовлюють орієнтовані петрографічні шліфи, в яких по мінеральних зернах встановлюють морфологічні особливості, інтенсивність (Ітрі) та просторове положення виділених мікротріщин, а слідом з урахуванням просторового положення лінійної структури породи проводять ідентифікацію головних систем мікротріщин (ТР1, ТР2 і ТР3), при цьому по характеру просторового розподілу результуючих векторів систем мікротріщин, їх інтенсивності, орієнтації та відношенню Ітр1:Iтр2:Ітр3=1:2:3 визначають співвідношення величин головних стискаючих напружень в породному масиві і судять про його напружно-деформований стан в забої підготовчої виробки. В умовах всебічного стискання механізм деформації гірської породи характеризується декількома стадіями: однорідною течією (макроскопічно однорідною деформацією пластичного матеріалу), катаклазом (тобто дробленням, грануляцією і розтріскуванням окремих зерен або локальних зон в межах агрегату), внутрішньокристалічним ковзанням (тобто механічним двійникуванням і трансляційним ковзанням і перекристалізацією в молекулярних масштабах). Значний вплив на характер руйнування гірської породи при використанні динамічних навантажень мають однорідна течія матеріалу гірської породи і катаклаз, при яких власно і утворюється анізотропія, яка обумовлена векторіальністю фізико-механічних властивостей і наявністю ортогонально розташованих систем мікротріщин [3, 4]. Оскільки анізотропія фізико-механічних властивостей, як відомо, є головним чинником, що впливає практично на всі процеси фізичного виробництва при видобутку та переробці корисних 1 UA 100054 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 копалин з використанням будь-якого виду енергії, в запропонованому способі прогнозної оцінки напружно-деформованого стану масиву гірських порід у забої виробки технічний результат досягається через підвищення точності прогнозу НДС анізотропної гірської породи і породного масиву в цілому, зокрема, у забої гірничої виробки за рахунок використання взаємозв'язку просторового положення елементів будови породного масиву, а саме - лінійності породоутворюючих мінералів і просторового розподілу мікротріщин різних систем і різної інтенсивності з орієнтуванням головних осей еліпсоїда деформацій (1, 2 і 3), просторове положення та співвідношення відносних величин осей яких, у свою чергу, віддзеркалює напружно-деформований стан масиву гірських порід. Іншими словами, результуючі вектори ідентифікованих систем трьох взаємно-перпендикулярних мікротріщин (тобто нормалі до середньостатистичних площин більш-менш паралельно розташованих мікротріщин у системі) співпадають з напрямами головних стискаючих напружень еліпсоїда деформацій. При цьому найбільша інтенсивність мікротріщин Ітр1 (інтенсивність мікротріщин - кількість мікротріщин в одиниці довжини, тобто у 1 мм, 1 см, 1 м і так далі) відповідає максимальному стискаючому напруженню 1, середня інтенсивність Ітр2 - середньому стискаючому напруженню 2, а мінімальна інтенсивність Ітр3 - мінімальному стискаючому напруженню 3. При цьому Ітр1:Ітр2:Iтр3=1:2:3. Використання даних про напружно-деформований стан масиву гірських порід навколо підготовчої гірничої виробки дозволяє науково обґрунтувати параметри буро-вибухових робіт (місце закладання врубових шпурових зарядів по ходу виробки, їх довжину, кількість, питомі витрати вибухових матеріалів), і тим самим, підвищити коефіцієнт корисної дії вибуху. Суть винаходу пояснюється кресленнями: Фіг. 1 - поперечний переріз гірничої виробки з розташованими у характерних точках шпурах, орієнтований у координатах Зандера керн гірської породи та гірничий компас; Фіг. 2 - орієнтований штуф породи, виготовлений з орієнтованого керну та орієнтовані петрографічні шліфи; Фіг. 3 - інтеграційний столик ИСА, змонтований на предметному столику поляризаційного мікроскопу МП-1, мікрофотознімок орієнтованого петрографічного шліфа із тріщинами ТР в мінеральних зернах; Фіг. 4 універсальний столик ФС-5, змонтований на предметному столику поляризаційного мікроскопа МП-1, структурна діаграма з зображенням максимумів виходу фігуративних точок полюсів основних систем мікротріщин (результуючих векторів систем мікротріщин) і векторів головних стискаючих напружень (1, 2 і 3). Спосіб прогнозної оцінки напружно-деформованого стану масиву гірських порід у забої виробки реалізується в такій послідовності. В масиві гірських порід (Фіг. 1), на початку, у місці закладання підготовчої гірничої виробки 1 визначають напрямок її проведення, потім по її перетину, тобто у забої, в характерних зонах (наприклад, по периметру і центрі) бурять розвідувальні свердловини (шпури) 2, здійснюють відбір орієнтованих кернів 3 за допомогою, наприклад, стандартного керновідбірника або гірничого компасу 4. Потім, в умовах лабораторії формують на відібраних кернах зрізи (Фіг. 2) по трьох взаємно-перпендикулярних площинах 5 і визнають в них напрямок (просторове положення) лінійної структури породоутворюючих мінералів за допомогою методу хімтруєння поверхонь концентрованою плавиковою кислотою [5], по характеру візерунка травлення визначають напрямки структурних осей Зандера [3] а, b і с, де а - вісь, що лежить у площині сплощення агрегатів мінеральних зерен і, як правило, співпадає з її простяганням, вісь b співпадає з лінійністю подовжених агрегатів мінеральних зерен, вісь с орієнтована нормально до площини сплощення. Усі три осі ортогональні щодо одна до одної. Далі, у площинах зрізів роблять орієнтовані петрографічні шліфи 6: один паралельно площині ас і перпендикулярно осі b, другий паралельно площині bc і перпендикулярно осі а і третій паралельно площині ab і перпендикулярно осі с. На предметне скло шліфів наносять відповідне маркування (див. Фіг. 2). У петрографічних шліфах 7 (Фіг. 3) по мінеральних зернах за допомогою світлооптичного мікроскопу 8 встановлюють на інтеграторі (наприклад, інтеграторі марки ИСА) 9, змонтованому на предметному столику мікроскопу, морфологічні особливості, інтенсивності I тр1, Iтр2, Iтр3, та за допомогою універсального столика Федорова 10 (наприклад, столик ФС-5) [6] (Фіг. 4) просторове положення виділених мікротріщин, а слідом, з урахуванням просторового положення лінійної структури породи, проводять ідентифікацію головних систем мікротріщин (Тр1, Тр2 і Тр3), при цьому по характеру просторового розподілу результуючих векторів систем мікротріщин, яке відображають на структурній діаграмі 11, їх інтенсивності Ітрі, орієнтації та відношенню Ітр1:Ітр2:Iтр3=1:2:3 визначать співвідношення відносних величин головних стискаючих напружень (1, 2 і 3) в породному масиві і судять про його напружнодеформований стан в забої підготовчої виробки. 2 UA 100054 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Наприклад, на відібраному на шахті Смолінська (ДП СхідГЗК) орієнтованому керні граніту у сформованих і протравлених концентрованою плавиковою кислотою зрізах по характеру травлення (див. Фіг. 2) у трьох взаємно-перпендикулярних площинах визначено напрямок (просторове положення) лінійної структури породоутворюючих мінералів: а саме, азимут падіння 182° і кут падіння 10° площини сплощення кварцових агрегатів. Крім того, в площині сплощення кварцових агрегатів визначені координати вектора їх лінійності, тобто азимут напрямку вектора лінійності 186° та кут його занурення 7°. Визначені також координати структурних осей Зандера а (96° - азимут напрямку; 0° - кут занурення), b (186° - азимут напрямку; 7° - кут занурення), с (186° - азимут напрямку; 83° - кут здіймання). Ортогонально цим осям виготовлені три взаємно-перпендикулярні петрографічні шліфи, в яких за допомогою світлооптичного мікроскопа, інтегратора і універсального столика Федорова встановлені інтенсивність і координати головних систем мікротріщин, а саме, I тр1 у площині ас (тобто у шліфі, що є нормальний до осі b), Iтр2 у площині bc (тобто у шліфі, що є нормальний до осі а), Iтр3 у площині ab (тобто у шліфі, що є нормальний до осі с). При цьому I тр1 дорівнює 30 тр./см, Iтр2-19 тр./см, Iтр3-5 тр./см. Тоді, згідно співвідношенню Ітр1:Ітр2:Iтр3=1:2:3=30:19:5, або 1:2:3=1:0,63:0,17. На структурній діаграмі за допомогою рівнопроміжкової сітки Каврайського визначають також координати головних стискаючих напружень 1, 2, і 3 (тобто їхні кути занурення -  та напрямки кутів занурення - ). У результаті виконаних операцій отримують для Кіровоградських гранітів співвідношення головних стискаючих напружень 1, 2, 3 та їх координати: 1:2:3=1:0,63:0,17; 1 (1=72°, 1=90°); 0 2(2=9 , 2=195°); о 3(3=15 , 3=285°). Використання запропонованого способу в гірничо-видобувній промисловості в підсумку дозволяє науково обґрунтувати параметри буро-вибухових робіт (місце закладання врубових шпурових зарядів по ходу виробки, їх довжину, кількість, питомі витрати вибухових матеріалів), і тим самим, підвищити коефіцієнт корисної дії вибуху. Джерела інформації: 1. Пат. № 2234073 Россия МПК 7 G01N 3/00 Способ определения начала разрушения / A.M. Иванов, Е.С. Лукин; заявитель и патентообладатель Институт физико-технических проблем Севера СО РАН; заяв. № 202103842/28 от 11.02.2002. - Опубл. 10.08.2004. - Б.И. № 33. 2. Пат. № 2322657 Россия МПК 7 G01N 3/00, Е21С 39/00 Способ определения напряженнодеформированного состояния массива материала / А.А. Опанасюк, В.В. Макаров, Л.С. Ксендзенко, Н.А. Опанасюк; патентообладатели А.А. Опанасюк, В.В. Макаров; заяв. 2006135046/28 от 03.10.2006. - Опубл. 20.04.2008. - Б.И. № 17. 3. Sander, В. Gefugekunde der Gesteine. - Vienna, 1930.-156 s. 4. Ажгирей Г.Д. Структурная геология. - М.: Изд-во МГУ, 1966.-347 с. 5. Мяделец Б.Н., Кратковский И.Л. Особенности внутреннего строения гранитов и методы их исследования. - Днепропетровск, 1975.-9 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ 07.04.75. - № 933-75 Деп. 6. Саранчина Г.М. Федоровский метод. - Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1963.-153 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Спосіб прогнозної оцінки напружно-деформованого стану масиву гірських порід у забої виробки, що включає буріння свердловин та відбір зразків гірських порід, таких як керни, який відрізняється тим, що спочатку у місці закладання підготовчої виробки визначають напрямок її проведення, потім по її перетину в характерних зонах бурять розвідувальні свердловини, здійснюють відбір орієнтованих кернів, в лабораторних умовах формують зрізи по трьох взаємно-перпендикулярних площинах і визначають в них напрямок лінійної структури породоутворюючих мінералів, виготовлюють орієнтовані петрографічні шліфи, в яких по мінеральних зернах встановлюють морфологічні особливості, інтенсивність (Ітрі) та просторове положення виділених мікротріщин, а з урахуванням просторового положення лінійної структури породоутворюючих мінералів проводять ідентифікацію головних систем мікротріщин (ТР1, ТР2 і ТР3), при цьому по характеру просторового розподілу результуючих векторів систем мікротріщин, їх інтенсивності, орієнтації та по відношенню Ітр1:Ітр2:Ітр3=1:2:3 визначають співвідношення величин головних стискаючих напружень 1, 2 і 3 в масиві гірських порід і судять про його напружно-деформований стан в забої підготовчої виробки. 3 UA 100054 C2 4 UA 100054 C2 5 UA 100054 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6