РАЗДЕЛ 2
ЛАБОРАТОРНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В
ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ ГОРНОГО МАССИВА
Известно, что физические процессы, протекаемые в горном массиве и изучаемые
горной наукой, отличаются значительной сложностью. Изучение этих процессов
связано с большими трудностями при непосредственных наблюдениях в натурных
условиях. Поэтому, для изучения сложных процессов, происходящих в горном
массиве, широко используются методы моделирования [100].
Для установления влияния мелкоамплитудных дизъюнктивных геологических нарушений
и нарушений, представленных резким изменением мощности пласта (утолщения,
вздутия) на напряженно-деформируемое состояние призабойной части угольного
пласта использовались методы моделирования на эквивалентных [100] и оптически
активных материалах [101].
2.1. Исследование деформирования пласта с помощью моделирования на моделях из
эквивалентных материалов
Исследование деформирования угольного пласта при подходе выработки к
пликативному нарушению (утолщение пласта) производилось на модели из
гипсопесочной смеси. На рисунке 2.1 представлена схема отрабатываемой модели.
По площади пласта устанавливались репера для определения смещений и деформаций.
Со стороны утолщения пласта создавалась пригрузка. Со стороны малой мощности
производилась выемка пласта, что имитировало подвигание подготовительного
забоя. Угол, под которым происходило увеличение мощность пласта, принимался
равным
в = 15, 30, 45, 60о. Минимальная мощность пласта равнялась 1 м, а максимальная
– 2 м.
В результате отработки моделей установлено, что с приближением забоя выработки
к нарушению происходит деформация пласта в области увеличения мощности пласта.
Рис. 2.1. Схема модели:
1 – корпус модели;
2 – пригрузка;
3 – моделируемый пласт;
4 – репера;
5 – забой выработки.
На рисунке 2.2 показан общий вид модели для случая утолщения пласта под углом в
= 450 до выемки заходки, и после выемки заходки.
Так, при расположении нарушения на расстоянии 1,0 м от забоя выработки
происходит деформация пласта (сжатие) по горизонтали от 1,5 до 5,0 мм/см, а по
вертикали – от 0,5 до 3,7 мм/см. Причем, с увеличением угла, под которым
происходит утолщение пласта, с 15 до 60о происходит увеличение вертикальных
деформаций и уменьшение горизонтальных (рис. 2.3)
Рис. 2.2. Общий вид модели:
а – до выемки заходки;
б – при приближении забоя к нарушению на 1,0 м.
Увеличение вертикальных деформаций пласта с ростом угла утолщения пласта
вызвано возрастанием вертикальных напряжений на этом участке. При этом на
участке изменения мощности пласта происходит его сжатие, как в вертикальной,
так и в горизонтальной плоскостях, т.е. образуется ядро с повышенной
концентрацией напряжений относительно участков с меньшей и большей мощностью
пласта. После образования ядра с повышенной концентрацией напряжений смещения и
деформации пласта практически прекращаются.
Рис. 2.3. Изменение деформации пласта от угла, под которым происходит его
утолщение:
1 – горизонтальные деформации;
2 – вертикальные деформации.
При расстоянии 0,5 м от забоя до нарушения происходит разрушение пласта в
области увеличения его мощности.
Из изложенного следует, что утолщение пласта оказывает существенное влияние на
формирование напряженного состояния в призабойной зоне. Причем, с увеличением
угла, под которым происходит утолщение пласта, вертикальные деформации и
напряжения возрастают, а горизонтальные – снижаются.
2.2. Исследование напряженного состояния с помощью моделирования на моделях из
фотоупругих материалов
Исследование перераспределения напряжений в призабойной части пласта при
наличии дизъюнктивных нарушений и утолщений пласта производилось на фотоупругих
материалах [101]. В качестве фотоупругого материала использовалась эпоксидная
смола. Исследование перераспределения напряжений производилось на трех моделях
(рис. 2.4).
Расстояние от забоя до нарушения изменялось от 4,5 до 0,5 м. Мощность пласта в
не ненарушенной части была равна 1,0 м. В зоне утолщения пласта m = 2,0 м.
Амплитуда смещения пласта ? m = 0,5 м.
Рис. 2.4. Схемы моделей из фотоупругих материалов:
а – утолщение пласта;
б – расщепление пласта;
в – мелкоамплитудное дизъюнктивное нарушение;
1 – выработка;
2 – угольный пласт;
3 – порода, расщепляющая пласт угля;
4 – плоскость смещения пласта.
В моделях после создания пригрузки производилась фиксация красных
линий, характеризующих область концентрации напряжений, и изоклин. После этого
строились изолинии направлений действия горизонтальных и вертикальных
напряжений. По расстоянию между изолиниями выделяются зоны с концентрацией
напряжений или разгрузкой массива.
Распределение напряжений в призабойной части пласта показано на рисунках 2.5 и
2.6.
Рис. 2.5. Распределение линий действия напряжений:
а – утолщение пласта;
б – расщепление пласта;
1 – забой выработки;
2 – пласт до нарушения;
3 – пласт в зоне утолщения;
4 – пласт в зоне расщепления;
1к.н – протяженность зоны концентрации напряжений;
ух; – линии действия горизонтальных напряжений;
уу - линии действия вертикальных напряжений.
Рис. 2.6. Распределение линий действия напряжений у мелкоамплитудного
дизъюнктивного нарушения:
1 – забой выработки;
2 – пласт до нарушения;
3 – пласт после нарушения;
1к.н – протяженность зоны концентрации напряжений;
ух – линии действия горизонтальных напряжений;
уу - линии действия вертикальных напряжений.
Из полученных результатов видно, что наличие геологических нарушений в
призабойной части пла