Главная | Новости | Аналитика | Служба поддержки | Контакты | О нас

ПАРТНЕРЫ Горнодобывающие предприятия Общественные организации Учебные заведения Научно-исследовательские институты СОТРУДНИЧЕСТВО Методички Исследовательское Информационное Учебники Авторефераты Вещество при образовании Земли Методики оценки прочности пород Синергетика в управлении массивом Журналы

СОБЫТИЯ


образовательные

научные производственные

КОНКУРСЫ


гранты стипендии премии награды

призы программы обмены студии

тренинги стажировки летние школы

ФОТОГАЛЕРЕИ


научно-образовательные и горнодобывающие центры Украины

КОНТАКТЫ


koordinator_rudana
analitik_rudana
tehnolog_rudana
consultant_ua
gemmolog_rudana
innovacii_rudana
filolog_rudana
secretar_rudana


ПРОГРАММЫ

ССЫЛКИ


??????-??????????????? ????? «???????????? ?????????????? ??????: ????????, ???????, ?????»

?????????????-????????????? ????? «???????»

Главная   

Образовательно-научно-производственный портал «Рудана»

Современные методики оценки прочностных свойств горных пород

О.Е. Хоменко

автор: Олег Хоменко

Что такое прочность горных пород?

 

Широко используемые в современной науке подходы к оценке напряженности массива и элементов систем разработки в большинстве случаев осуществляются различными методами механики горных пород. Наиболее широко используемые – это теории упругости, пластичности, ползучести. Основное преимущество этих методов заключается в том, что они дают реальную основу только для понимания геомеханических процессов, вызываемых образованием обнажения. Задавая координаты всех материальных точек твердого тела при расчетах методами механики сплошной среды, тем самым вносят дополнительные данные в характеристику его термодинамического состояния. При соответствующих внешних условиях в состоянии тела важным является не расположение точек относительно некоторой фиксированной системы координат, а их взаимное расположение независимо от ориентации и положения твердого тела в пространстве.

 

С приложением к телу нагрузки внешняя сила распределяется по межатомным связям и напрягает их. Атомы твердого тела распространяют от эпицентра давления упругую продольную волну, интегрируя в нем зоны различного объема, и соответственно, температуры. В результате чего тело будет стремиться снова восстановить первоначальный объем и выровнять температуру. При снятии нагрузки внутренняя структура частично восстанавливается. В этом, казалось бы противоречивом явлении, находит свое отображение диалектический закон единства и борьбы противоположностей.

 

В развитии физических представлений о прочности, кроме учета атомного строения тел, основной частью является учет влияния теплового движения атомов в твердом теле на развитие процесса его разрушения. Положение о тепловом движении атомов – неотъемлемая часть атомно-кинетической теории прочности. Наличие теплового движения атомов существенно изменяет механическую задачу. В этом случае с внешней силой взаимодействует уже не статическая система связанных атомов, а система частиц, каждая из которых находится в колебательном движении, в результате которого изменяются локальные напряжения межатомных связей в соответствии с атомно-кинетической теорией прочности.

 

Самая грубая оценка показывает, что уже средние тепловые колебания атомов в твердом теле, идущие с частотой 1012–1013 с-1 и средней кинетической энергией КТ на каждую степень свободы (К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура), вызывают в межатомных связях рывки-нагрузки, сила которых сравнима с прочностью связей на разрыв. Это говорит о неадекватности принятых допущений, что горные породы являются упругими, сплошными телами, которые соответствуют связанной сыпучей среде и не дают приемлемых для практической деятельности результатов по определению точных параметров конструктивных элементов систем разработки в конкретных горно-геологических условиях того или иного месторождения с увеличением глубины разработки. Помимо этого, невозможно точно определить начальное напряженное состояние ненарушенного массива пород, оказывающее решающее влияние на величины и направление действия фактических напряжений вокруг образованных горных выработок.

 

Оценка прочностных свойств горных пород производится с помощью различных методов. Одним из решающих факторов оценки прочности конструктивного элемента системы разработки является закладываемый в расчетах коэффициент запаса прочности n. При определении размеров очистных выработок по прочностным свойствам горных пород и значениям коэффициента n определяют вертикальные и горизонтальные пролеты обнажения. Рациональные границы применения n для конструктивных элементов систем разработки с открытым очистным пространством принимают равный: 2,0–2,5 по В.Д. Слесареву, 2,0–4,0 по Л.Д. Шевякову и 1,9–2,5 по С.В. Ветрову. Зачастую используют два предела минимальных значений. Для обнажений, создаваемых на короткий период времени, и подверженных кратковременным сейсмическим воздействию взрывных работ n = 2,0. Для обнажений, которые подвержены в основном воздействию факторов горного давления n = 2,5.

 

При оценке прочностного состояния конструктивных элементов систем разработки важным вопросом является выбор критерия, по которому производится сравнение действующих в них напряжений с допустимыми. Согласно известным теориям прочности разрушение наступает в тот момент, когда в некоторой точке массива горных пород результирующая действующих напряжений достигнет своего критического значения. В инженерных расчетах применительно к оценке устойчивого состояния горных пород наибольшее распространение получили теории феноменологической прочности: теория наибольших нормальных напряжений (критерий Ренкина), теория наибольших касательных напряжений, критерий Кулона-Навье, критерий O. Mоpa и др. Наиболее полной и наглядной прочностной характеристикой горной породы можно считать огибающую максимальных кругов Мора, или паспорт прочности породы. Существенным недостатком теории прочности Мора является пренебрежение влиянием промежуточного главного напряжения, оказывающего в ряде случаев значительное влияние на прочность пород. Поэтому в дальнейшем эта теория была усовершенствована рядом других исследователей, в частности Гриффитсом, Э. Хоэком, Г.Н. Кузнецовым и др.

 

Заслуживает внимания интегральная оценка устойчивости пород по конфигурации и размерам условных зон неупругих деформаций пород вокруг выработки, предложенная Н.С. Булычевым и Н.Н. Фотиевой. Под зоной неупругих деформаций авторы понимают примыкающую к выработке область в упругой модели массива горных пород, где не выполняется условие прочности Кулона-Мора. Достоинством этого критерия является то, что рассматриваются не отдельные точки контура выработки, а вся примыкающая область массива, и прочность пород характеризуется общим условием, справедливым для объемного напряженного состояния. Основным недостатком критерия является использование нормальных, а не главных напряжений, переход к которым затруднителен без наличия соответствующего программного обеспечения для его реализации на персональных компьютерах.

 

Применительно к оценке вероятности разрушения пород в результате развития напряженного состояния конструктивных элементов со сложной пространственной ориентацией, оцениваемого численным методом, достаточно эффективным является использование критерии Гриффитса-Брейса. Согласно этому критерию разрушение пород будет происходить на участках, где эквивалентные напряжения, равные суммарному действующему главных напряжений, превосходят предел прочности пород на расслоение. Для учета структурной нарушенности массива целесообразно использовать в качестве критерия прочности пород статистически длительную прочность на разрыв. Однако в реальных условиях разрушение тела зависит от многих факторов, которые сами по себе еще недостаточно известны. Поэтому практика расчетов показывает, что феноменологическому подходу оценки прочности горных пород присущ ряд недостатков. По прочностным свойствам контакты не могут считаться в силу того, что они имеют принципиально стохастическую природу. На параметры характеристик прочности существенное влияние (помимо структурных особенностей) оказывают анизотропии поля напряжений, при котором они определялись, масштабный фактор и прочее. Достаточно адекватной количественной оценкой прочностных свойств горных пород является оценка, основанная на применении интегральных характеристик массива, не зависящих от его локальных качеств. В приложении к устойчивости подземных обнажений такой интегральной характеристикой может служить введенный В.Д. Слесаревым гидравлический радиус, представляющий собой отношение площади обнажения, характеризующей нагрузку, к периметру обнажения, характеризующему силы реакции.

 

Совершенный уровень исследования физических свойств горных пород характеризуется синергетическим подходом, который включает термодинамические, энергетические и энтропийные методы. Синергетические методы учитывают процессы энергетического обмена в минеральной среде и закономерные преобразования одних видов энергии в другие. Синергетический подход состоит в изучении свойств взаимодействующих открытых систем путем анализа условий и количественных соотношений, происходящих при превращении энергии. Сам же подход не связан с какими-либо конкретными представлениями о внутреннем строении тел и характере движения образующих их частиц. Разрушение же массива возникает в местах, где нормальные напряжения, действующие в массиве, превышают предельно-допустимые на растяжение или сдвиг. Разницу между действующими и предельными напряжениями отражал коэффициент запаса прочности, который в расчетах принимают равным 1. Основными преимуществами этих методов является высокая степень универсальности, позволяющая описать механизмы возникновения энергетических полей в земной коре, сущность процессов теплообмена, преобразования потенциальной энергии упругой деформации в работу, процессов перераспределения и возникновения напряжений в окружающем выработку массиве, накопления нарушений и характер обрушения массива, и многое др

 

Что? Где? Когда?

НОВЫЕ  ЗНАНИЯ  ПОЗВОЛИЛИ  ОБЪЯСНИТЬ  СЛОЖНЫЕ  ЯВЛЕНИЯ

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Поиск по порталу
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам страниц
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам и телу страниц
Новости

07.11.12
Пополнение библиотеки портала «Рудана»
Вышло из печати новое учебное пособие (Физико-химическая геотехнология / Н.М. Табаченко, А.Б. Владыко, О.Е. Хоменко, Д.В. Мальцев – Д.: НГУ, 2012. – 310 с.). Рецензентами выступили М.С. Четверик, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор, заведующий отделом геомеханических основ разработки месторождений ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины и В.В. Цариковский, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом подземных горных работ и геомеханики ГП «Научно-исследовательский горнорудный институт».


Аналитика

Я. Садлак
Инструмент для усовершенствования высшего образования
Уже в третий раз студенты, преподаватели, работодатели, журналисты и общественность имеют возможность ознакомиться с 200 лучшими вузами Украины по рейтингу ЮНЕСКО – «Топ 200 Украина».

Ответы на Ваши вопросы
Будьте в курсе всех новинок портала
Подпишитесь на рассылку
E-mail:
  Подписаться
Сообщить о неточностях
на сайте

?????????????? ??????????
???????????? «?????? ???????»

?????????????-????????????? ????? «???????»

Контактные лица по проекту:

Олег, e-mail: koordin@rudana.in.ua

Наталья, e-mail: romah-v@mail.ru

Page Rank Icon Rambler's Top100
Дизайн и поддержка: http://inter-biz.info/
Программирование: Пуляев Ю.А.