Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 1998 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
1998
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189673 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения / В.С. Маевский, В.Н. Ревва, Э.В. Борисенко, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-189673 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Маевский, В.С. Ревва, В.Н. Борисенко, Э.В. Брюханов, А.М. 2023-04-19T13:33:08Z 2023-04-19T13:33:08Z 1998 Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения / В.С. Маевский, В.Н. Ревва, Э.В. Борисенко, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2664-17716 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189673 622.831 ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| spellingShingle |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения Маевский, В.С. Ревва, В.Н. Борисенко, Э.В. Брюханов, А.М. |
| title_short |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| title_full |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| title_fullStr |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| title_full_unstemmed |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| title_sort |
оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения |
| author |
Маевский, В.С. Ревва, В.Н. Борисенко, Э.В. Брюханов, А.М. |
| author_facet |
Маевский, В.С. Ревва, В.Н. Борисенко, Э.В. Брюханов, А.М. |
| publishDate |
1998 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физико-технические проблемы горного производства |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| format |
Article |
| issn |
2664-17716 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/189673 |
| citation_txt |
Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения / В.С. Маевский, В.Н. Ревва, Э.В. Борисенко, А.М. Брюханов // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 1998. — Вип. 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT maevskiivs ocenkaustoičivostikrovlivokrestnostigornoivyrabotkispoziciimehanikirazrušeniâ AT revvavn ocenkaustoičivostikrovlivokrestnostigornoivyrabotkispoziciimehanikirazrušeniâ AT borisenkoév ocenkaustoičivostikrovlivokrestnostigornoivyrabotkispoziciimehanikirazrušeniâ AT brûhanovam ocenkaustoičivostikrovlivokrestnostigornoivyrabotkispoziciimehanikirazrušeniâ |
| first_indexed |
2025-11-26T02:34:52Z |
| last_indexed |
2025-11-26T02:34:52Z |
| _version_ |
1850608551017316352 |
| fulltext |
10. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. - М.,
Недра, 1973. 102 с.
11. Борисов А.А. Основы геомеханики горных массивов. -Л.:
ЛГИ, 1989. -94 с.
УДК 622.831
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ КРОВЛИ В ОКРЕСТНОСТИ ГОРНОЙ
ВЫРАБОТКИ С ПОЗИЦИИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ
д. т. н. Маевскнй В. С. (Макеевский экномико-гуманитарный
институт), к. т. н. Реввя В. Н., инж. Борисенко 3. В. (Отделение
физико-технических горных проблем ДонФТИ НАНУ), к. т. н.
Брюханов А. М. (Государственная холдинговая компания
“Октябръуголь ”)
Устойчивость кровли в призабойном пространстве очистных за
боев является определяющим фактором при выборе способа управ
ления горным давлением, типа выемочного оборудования, характе
ристики, схемы расположения и передвижки крепи.
Как отмечалось ранее, существующие к настоящему моменту
классификации кровель [1,2,3] не учитывают многих влияющих
факторов. Наиболее существенным из них, на наш взгляд, являются
неравнокомпонентность объемного напряженного состояния, и де
фектность структуры горных пород.
С позиции механики разрушения горных пород предлагается но
вый подход к оценке устойчивости кровли в окрестности горной
выработки. Рассмотрим предельный, в смысле устойчивости кровли,
случай. Горный массив принимаем упругим. В породах, обладающих
свойствами пластичности, со временем напряжения могут релакси-
ровать.
Учитывая сложность проблемы, ограничимся рассмотрением
плоской задачи о напряженно-деформированном состоянии упруго
го горного массива в окрестности протяженной горизонтальной вы
работки кругового поперечного сечения, подверженного действию
гидростатического напряжения уН. Согласно [4] напряжения в окре
стности выработки определяются по формулам:
Р ( 1)
„ ф= ун- Щ 1 -
р
где аг - радиальное напряжение;
аф - тангенциальное напряжение;
Р=г/а;
1.0
г -расстояние от центра выработки до рассматриваемой
точки;
а - радиус выработки;
Р - реактивное сопротивление крепи.
Известно из механики разрушения Гриффитса, что процесс раз
рушения горных пород начинается с развития дефектов структуры,
т.е. трещин различных размеров и ориентации.
В кровле выработки рассмотрим эффективную прямолинейную
трещину длины 21, интегрально учитывающую множество реальных
трещин в массиве и ориентированную под углом у к направлению
действия стг. По берегам трещины равномерно расположены напря
жения О - давление флюида (воды, газа) на стенки трещины. Со
гласно [5 ] коэффициенты интенсивности напряжений к; и кп, харак
теризующие локальное поле упругих напряжений у тупиковой части
трещин соответственно нормального отрыва и поперечного сдвига,
определяются по формулам:
к, = - оу зт2 Ч' - оу, сов2
(2 )
К = л̂/л7{<сг-сг 1зт2Ч'
После подстановки (1) в (2)
к, = 4м
к„ = 4м\
Р-уН
у Н + Р— ^ |5ш 2Ч '-| у Я -
Р-уН
С05 Ч1
(3)
В дальнейшем воспользуемся критерием локального разрушения
[6 ] в виде
*/2 + * / / = ~ Г Г (4)
где
1 —V
Е - модуль Юнга,
V - коэффициент Пуассона,
Г- эффективная поверхностная энергия (ЭПЭ), энергия
необходимая на образование нового элемента поверхности в породе,
трещиностойкость материала, характеризующая сопротивляемость
развитию в нем трещин.
После подстановки (3) в (4) получим
О - -/И
Р-уН
5ЙГЧ'-\уН- Р-уН С05" Ч7
Р-уН
51П2 24* : 2 ЕГ
(5)
М(\-у2)
Таким образом, получено критериальное соотношение, описы
вающее предельное состояние породного массива в окрестности
горной выработки, учитывающее многие влияющие факторы, в том
числе и трещиностойкость кровли. Критерий (5) может стать осно
вой для оценки устойчивости кровли. Рассмотрим случай, когда в
11
кровле выработки находится песчаник, трещиностойкость которого
изменяется в пределах от 5 до 100 Дж/мг, коэффициент Пуассона
у=0,1-0,15, модуль Юнга Е=(2,5-4,0) 103 МПа, Н=800 м, уН=20 МПа,
0=0,7уН, размер эффективной трещины 1=(0,5-5,0) 1(У3 м. Тогда из
(5 ) получим зависимость реактивного сопротивления крепи в зави
симости от уровня трещиностойкости пород кровли (рис.1). Отсюда
следует, что трещиностойкость пород кровли существенно влияет на
предельное состояние в окрестности горной выработки, определяет
необходимый уровень реактивного сопротивления крепи, причем,
чем выше уровень трещиностойкости пород кровли, тем необходимо
меньшее значение реактивного сопротивления крепи, т.е. тем ус
тойчивее выработка и ее кровля.
Таким образом, установлено, что эффективную поверхностную
энергию, интегрально характеризующую сопротивляемость горных
пород развитию в них трещин (трещиностойкость), необходимо ис
пользовать для оценки устойчивости кровли, как один из главных
параметров.
Конечно, рассмотренная выше модель, позволяющая получить
очень важный качественный результат, является несколько упро
щенной. Реальная кровля представляет собой неоднородную (слои
стую) среду. А, учитывая, то что неоднородность упругих свойств
горных пород существенно уменьшает их трещиностойкость [5], в
развитие вышеуказанного подхода предлагается использовать усло
вие локального разрушения для эффективной трещины, находящей
ся на границе раздела различных упругих сред (границе слоев), в
виде [6 ]:
+ +0]
где А = Х;=3-4у!’ 1= 1 ; 2 ;2(1+у,)
Е, - модуль Юнга 1-го слоя;
VI - коэффициент Пуассона 1-го слоя;
Г- эффективная поверхностная энергия менее трещиностойко
го слоя.
Располагая аналитическим решением соответствующей задачи о
напряженно-деформированном состоянии в окрестности горной
выработки, определяем коэффициенты интенсивности напряжений
и подставляем в (6). В результате получаем условие предельного со
стояния горных пород, которое может быть принято за основу для
разработки критерия устойчивости кровли в окрестности горной
выработки. Нам представляется перспективным и принципиально
новым указанный подход по проблеме устойчивости кровли.
Доказав необходимость использования параметра трещиностой
кости при оценке устойчивости пород кровли постараемся его вве
сти в известные геомеханические соотношения. Согласно
А. А. Борисову [7] наиболее важной для условий подземной разра
12
ботки пластовых месторождений является работа основной кровли.
В начальном режиме она работает подобно плите, защемленной на
упругом четырехстороннем опорном контуре, представляющем со
вокупность краевых зон. Кровля деформируется подобно овальной,
а не прямоугольной плите, поскольку ее зависание в углах являют
собой жесткую заделку. Асимметрия изгиба объясняется влиянием
деформаций ползучести. Детальное изучение деформаций основной
кровли в плоскости пласта показывает, что деформации основной
кровли охватывают значительные площади всех краевых зон по
контуру ее обнажения. Начинается процесс расслоения пород кров
ли, происходит отделение пачки пород, нагружающей основную
кровлю от вышележащей толщи.
Закономерности деформаций и разрушений основной кровли в
режиме установившегося движения, заключается в ее периодиче
ских осадках и формируется следующим образом: по мере подвига-
ния забоя происходит нарастание обнажений очередного блока ос
новной кровли и одновременное прогрессирующее нарастание де
формаций ее изгиба, которое при достижении предельного пролета,
сменяется ударным, практически мгновенным его обломом, сопро
вождающийся очередной осадкой.
А. А. Борисов [7] установил закономерность справедливую для
всех горных выработок, в том числе и для режима установившегося
движения основной кровли и покрывающей толщи, а также и для
естественных полостей в литосфере. Заключается она в следующем:
квадрат предельного пролета кровли в любой плоскости поперечного
сечения выработки прямопропорционален произведению квадрата ее
Трещиностойкость Г, Дж/м2
Рис. 1. Зависимость реактивного сопротивления крепи(Р/уН) от
трещиностойкости окружающих пород.
13
мощности на предел прочности при растяжении и обратно пропор
ционален интенсивности действующей на нее нагрузки. Величина
несущей способности кровли - величина ее предельного пролета
1пред. - определяется согласно [4] по формуле:
[7)
я
где к: - расчетный безразмерный коэффициент;
ср - коэффициент интенсивности защемления кровли на
опорах;
й - мощность кровли;
!аР I - предел прочности кровли на растяжение;
^ - интенсивность равномерно распределенной нагрузки,
действующей на кровлю.
Согласно критерия, вытекающего из уравнения Гриффитса-
Орована для условий плоской деформации [8], разрушающее на
пряжение
где а - критическая дайна трещины.
Полагаем сгр=аг и подставляем (8) в (7), получим
(9)
а
? у 7г(1 - г /)а
Из (9) следует, что с увеличением уровня трещиностойкости по
род будет увеличиваться величина предельного пролета, а следова
тельно, повышаться устойчивость кровли. Сделаем обозначение
/‘ = . Из (9) рассчитаем Гпред при различных Г, при этом полагаем
к,<рк
Е=2-103 МПа, \'=0,1, а=5-10-3 м, Н=800 м.
На рис. 2 представлена графическая зависимость Гпред от уровня
трещиностойкости пород кровли.
Из графической зависимости следует, что можно выделить три
области изменения Г:
-Г<10 Дж/м2, где наиболее существенно влияние Г на пролет
кровли;
- 10<Г<50 Дж/м2 - незначительное изменение 1пред от Г;
Г>50 Дж/м2 - 1пред почти не изменяется. Таким образом, данный
результат, с привлечением анализа влияния мощности и состояния
кровли на ее устойчивость, может быть использован для создания
классификации кровель.
14
0,50 -
Трещ иностойкость Г, Дж(м!
Рис. 2. Зависимость /‘ = — - от уровня трещиностойкости пород
к̂срН
кровли Г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Управление кровлей и крепление очистных забоев с индиви
дуальной крепью /Е.П.Мухин, Е.П.Захаров, Е.Д.Дубов и др. -К.:
Техника, 1994. -190 с.
2. Указания по управлению горным давлением в очистных за
боях угольных шахт. -Л.: ВНИМИ, 1988. -280 с.
3. Управление горным давлением при разработке угольных пла
стов /Аносов О.С., Кузьменко Н.С., Кудравед Г,В. и др. -Донецк:
Донбасс, 1990. -303 с.
4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. - М.:
Недра, 1975. -272 с.
5. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Разрушение горных
пород в объемном поле сжимающих напряжений. -К.: Наукова дум
ка, 1989. -168 с.
6 . Черепанов Т.П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Недра
1974. -640 с.
7. Борисов А.А. Основы геомеханики горных массивов. -Л.:
ЛГИ, 1989. -94 с.
8 . Хеккель К.Техническое применение механики разрушения. -
М.: Металлургия, 1974. -64 с.
15
|