Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения

Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения

Оцінено вплив водонасичення гірських порід на їхні фізико-механічні властивості в умовах об’ємного навантаження.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автор: Ревва, В.Н.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2013
Назва видання:Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57147
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения / В.Н. Ревва // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 12. — С. 179-189. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-57147
record_format dspace
spelling irk-123456789-571472014-03-05T03:01:23Z Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения Ревва, В.Н. Оцінено вплив водонасичення гірських порід на їхні фізико-механічні властивості в умовах об’ємного навантаження. The influence of water saturation of rocks on their physical and mechanical properties is evaluated in conditions of volume loading. 2013 Article Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения / В.Н. Ревва // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 12. — С. 179-189. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57147 622.236:539.375 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Оцінено вплив водонасичення гірських порід на їхні фізико-механічні властивості в умовах об’ємного навантаження.
format Article
author Ревва, В.Н.
spellingShingle Ревва, В.Н.
Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
Наукові праці УкрНДМІ НАН України
author_facet Ревва, В.Н.
author_sort Ревва, В.Н.
title Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
title_short Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
title_full Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
title_fullStr Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
title_full_unstemmed Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
title_sort изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения
publisher Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate 2013
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57147
citation_txt Изменение физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях объемного нагружения / В.Н. Ревва // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 12. — С. 179-189. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series Наукові праці УкрНДМІ НАН України
work_keys_str_mv AT revvavn izmeneniefizikomehaničeskihsvojstvgornyhporodprivodonasyŝeniivusloviâhobʺemnogonagruženiâ
first_indexed 2025-07-05T08:24:38Z
last_indexed 2025-07-05T08:24:38Z
_version_ 1836794646914662400
fulltext Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 179 УДК 622.236:539.375 ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВОДОНАСЫЩЕНИИ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО НАГРУЖЕНИЯ Ревва В. Н. (УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина) Оцінено вплив водонасичення гірських порід на їхні фізико- механічні властивості в умовах об’ємного навантаження. The influence of water saturation of rocks on their physical and mechanical properties is evaluated in conditions of volume loading. Процессы реструктуризации угольной промышленности Украины предусматривают закрытие старых, нерентабельных шахт. Проектами закрытия шахт в большинстве случаев преду- смотрена их мокрая консервация, т.е. водоотлив из выработок прекращается. Вследствие этого уровень шахтных вод будет под- ниматься, и выработки будут затоплены. В результате водонасы- щения нарушенного углепородного массива будут изменяться физико-механические свойства горных пород, что в итоге может привести к активизации сдвижения земной поверхности над вы- работанным пространством. Этот процесс практически не изучен, однако косвенные факторы (участившееся повреждение зданий на полях закрытых шахт, заводнение местности вследствие осе- дания поверхности и поднятия грунтовых вод) подтверждают о его возможности. Поэтому возникает настоятельная необходи- мость в исследовании влияния водонасыщения на изменение фи- зико-механических свойств горных пород. В настоящее время не существует единого мнения относи- тельно главного проводника воды в подземные выработки [1]. Гидрологи полагают, что это песчаники и угольные пласты. Дру- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 180 гие считают, что это трещины, образовавшиеся в подработанном массиве, зоны деформаций растяжения динамической и статиче- ской мульд сдвижения. В настоящей работе ограничимся исследованием влияния водонасыщения на изменение физико-механических свойств пес- чаников и углей. Важной характеристикой трещиностойкости горных пород (сопротивляемости распространению в них трещин) является эф- фективная поверхностная энергия (ЭПЭ) – энергия, необходимая для образования нового элемента поверхности, интегрально учи- тывающая все механизмы разрушения. Экспериментальные исследования влияния водонасыщения на ЭПЭ песчаников [2] позволили установить следующее. Физи- чески связанная влага существенно влияет на трещиностойкость песчаников. Так величина ЭПЭ песчаников с силикатным цемен- том (как правило, высокопористых) уменьшается до 8 раз (рис. 1). 1 – глинисто – каробонатный цемент; 2 – глинисто слюдистый цемент Рис. 1. Зависимость ЭПЭ песчаников от влажности Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 181 При этом наиболее значительное уменьшение ЭПЭ наблю- дается при влажности 1,2-1,5 %. При дальнейшем увеличении влажности ЭПЭ изменяется несущественно. В песчаниках с кар- бонатным цементом (особенно с базальным) ЭПЭ уменьшается незначительно (в 1,5 раза) при изменении влажности от 0,5 % до 0,75 %. Учитывая, что естественная влажность песчаников может изменяться от 0,36 % до 7,39 % [3], можно предположить, что уже в естественных условиях вся внутренняя поверхность песча- ников покрыта физически связанной водой. Искусственное водо- насыщение приводит лишь к появлению слабо связанной и сво- бодной воды. Образование водяной плёнки в порах и трещинах, на межзеренных границах уже не влияет на уменьшение сил вза- имодействия, но значительно облегчает скольжение. Поэтому увлажнение приводит к пластифицированию песчаников. Вода, находящаяся в поровом пространстве, наряду с физи- ко-химическим эффектом проявляет и механический эффект дав- ления, который наиболее сильно влияет на деформацию горных пород. При внешнем сжатии процесс уменьшения объёма пор приводит к увеличению давления воды, которое действует пер- пендикулярно поверхности пор. Поровое давление воды умень- шает приложенное внешнее нормальное напряжение, но не ока- зывает влияния на касательные напряжения, что в конечном ито- ге приводит к возрастанию упругих свойств породы. Горные породы в массиве, особенно в окрестности горных выработок, находятся под действием объемного неравнокомпо- нентного поля сжимающих напряжений. Изменение физико- механических свойств горных пород при объемном нагружении предопределяет устойчивость горного массива, потеря которой приводит к динамическому разрушению. Экспериментальные исследования водонасыщеных песчани- ков в объемном неравнокомпонентном поле сжимающих напря- жений позволили установить следующее [2]. В песчаниках, в цементе которых содержатся глинисто- слюдистые минералы (глинисто карбонатный, и глинисто- слюдистый цемент), отмечается с ростом влажности уменьшение модулей деформации и сдвига, увеличение коэффициента попе- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 182 речной деформации. Возрастает деформируемость пород, умень- шается их объемная прочность. Для песчаников с карбонатным цементом эти изменения практически неощутимы. Водонасыще- ный образец способен накопить энергии лишь немного меньше «сухого», однако непосредственно на разрушение (образование новых поверхностей) затрачивается лишь незначительная её часть, а остальная часть представляет собой энергию устойчивых дефектов. Величина вновь образованной поверхности при водо- насыщении в 3-4 раза меньше, чем у «сухих» образцов, но при- мерно во столько же раз уменьшается дилатируемый объем, по- этому удельная поверхность разрушенного материала сохраняет- ся на одном уровне. Удельная поверхностная энергия уменьшает- ся в два раза. Характерным является разрушение водонасыщеных образ- цов песчаника. По внешним признакам начало разрушения уста- новить практически невозможно. Оно локализируется в плоско- сти действия максимальных касательных напряжений. Происхо- дит медленный и устойчивый рост трещин без спада напряжений и каких-либо шумовых эффектов, т.е. реализуется более вязкое разрушение. Учитывая особое положение углей среди горных пород, а также то, что угольный пласт может быть главным проводником воды в подземные выработки, на установке неравнокомпонентно- го трехосного сжатия УНТС [2] были проведены эксперимен- тальные исследования деформирования и разрушения «сухих» и водонасыщеных угольных образцов для разных видов напряжен- ного µσ [4] и деформационного µε [5] состояний, характеризуемых параметрами Лоде-Надаи: 𝜇𝜎 = 2 �𝜎2−𝜎3 𝜎1−𝜎3 � − 1, (1) где σ1, σ2, σ3 – главные напряжения; 𝜇𝜀 = 2 �𝜀2−𝜀3 𝜀1−𝜀3 � − 1, (2) где ε1, ε2, ε3 – главные деформации. При σ1 ≥ σ2 ≥ σ3 ≥ 0 µσ = -1 – вид напряженного состояния, соответствующий обобщенному сжатию; µσ = 0 – обобщенному Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 183 сдвигу, µσ = 1 – обобщённому растяжению. Аналогично для ви- дов деформационного состояния. На основании экспериментальных данных и теоретических исследований о процессах нагружения и деформирования уголь- ного пласта в призабойной зоне выделяются три характерных участка различного объемного нагружения и различного механи- ческого состояния [6, 7]. Первый участок объемного нагружения угольного пласта в глубине массива вне зоны влияния выработки (зона «нетронуто- го» массива) с учётом гипотезы о геостатическом напряженном состоянии характеризуется тем, что три главных напряжения свя- заны соотношениями σ1 = γН, σ2 = σ3 = λγН, где γ – объемный вес вышележащих пород, Н – глубина залегания пласта; λ – коэффи- циент бокового распора. В этом случае µσ = -1, т.е. вид напряжен- ного состояния соответствует обобщенному сжатию. Разделение тензора главных напряжений позволяет выделить из общего напряженного состояния сумму двух напряженных состояний – равномерного объемного сжатия и одноосного сжатия. Второй участок объемного нагружения угольного пласта в глубине массива, где наблюдается частичное разрушение и сжи- мающие напряжения σ1, σ2 и σ3 достигают своих наибольших зна- чений, а промежуточное главное напряжение σ2 достигает полу- суммы σ1 и σ3. Величина µσ приближается к нулю, т.е. на втором участке нагружения угольного пласта вид напряженного µσ бли- зок к обобщенному сдвигу. Напряженное состояние угольного пласта в зоне максимальных сжимающих напряжений можно представить в виде суммы напряженных состояний – объемного равномерного сжатия и чистого сдвига. Третьим участком объемного нагружения угольного пласта является кромка забоя, где минимальное сжимающее напряжение σ3 стремится к нулю, а максимальное сжимающее напряжение σ1 снижается до промежуточного главного напряжения σ2, что сви- детельствует о реализации обобщенного растяжения. Разделение тензора напряженного состояния позволяет выделить объемное сжатие и одноосное растяжение. Таким образом, при исследовании влияния водонасыщения угля при различных видах напряженного состояния возможно Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 184 оценить его на каждом участке объемного нагружения угольного пласта в глубине массива. Ранее [8, 9], было установлено, что вид напряженного со- стояния существенно влияет на механические свойства углей при деформировании и разрушении их в условиях объемного нерав- нокомпонентного сжатия, поэтому его необходимо учитывать при экспериментальном определении механических характери- стик углей. В настоящей работе моделировалось пять видов напряжен- ного состояния – обобщенное сжатие (µσ = −1), между обобщен- ным сжатием и сдвигом (µσ = − 0,5), обобщенный сдвиг (µσ = 0), между обобщенным сдвигом и растяжением (µσ = 0,5) и обоб- щенное растяжение (µσ = 1). На рисунке 2 представлена зависи- мость модуля деформации Е угля марки К пласта d4 ш/у «По- кровское» (на следующих рисунках зависимости для этого же уг- ля) с исходной (естественной) влажностью 1,6 % и водонасыщен- ного до 3,6 % в зависимости от вида напряженного состояния µσ. Рис. 2. Зависимость модуля деформации Е угля от вида напряжённого состояния µσ При −1≤µσ≤−0,5 (в зоне нетронутого массива) влияние во- донасыщения незначительно, а при −0,5≤ µσ ≤ 1 (зона предельно- го состояния), происходит уменьшение величины модуля дефор- мации, и проявляется изменение в сторону увеличения пластиче- ских свойств угля. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 -0,5 0 0,5 1 Е ∙ 1 0-3 , М Па μσ исход вода Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 185 Тенденция к пластифицированию угля при водонасыщении отмечается так же на зависимостях модуля сдвига G (рис. 3) и ко- эффициента поперечной деформации ν (рис. 4) от вида напря- женного состояния µσ, при этом наиболее существенное измене- ние их значений происходит при µσ = 0,5 (в зоне предельного со- стояния). Рис. 3. Зависимость модуля сдвига G угля от вида напря- женного состояния µσ Рис. 4. Зависимость коэффициента поперечной деформации ν угля от вида напряжённого состояния µσ Для водонасыщенного угля несоответствие (µε ≠ µσ) между видами напряженного и деформационного состояниями стремит- 0 2 4 6 8 10 12 14 -1 -0,5 0 0,5 1 μσ исход вода G ∙1 0³ 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 -1 -0,5 0 0,5 1 ν μσ вода исход Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 186 ся к соответствию (µε ≈ µσ ) (рис. 5) кроме µσ = 1 (на кромке за- боя). Рис. 5. Зависимость вида деформационного состояния µε для вида напряженного состояния µσ Зависимости энергий изменения формы Аf (рис. 6) и измене- ния объема Аv (рис. 7) в момент разрушения угля от вида напря- женного состояния µσ позволяют сделать выводы, что на разру- шение водонасыщенного угля необходимо затратить меньше энергии, чем исходного. Рис. 6. Зависимость энергии изменения формы Аf угля от вида напряженного состояния µσ -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 -1 -0,5 0 0,5 1 με μσ исход вода 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 -1 -0,5 0 0,5 1 A f , М Д ж /м 3 μσ исход вода Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 187 Рис. 7. Зависимость энергии изменения объема Аv угля от вида напряженного состояния µσ При этом энергия формоизменения Аf у водонасыщенного угля в 5-10 раз больше энергии изменения объема Аv, т.е. преоб- ладающее количество энергии деформирования угля затрачивает- ся на пластическую деформацию и реализуется более вязкое раз- рушение. Из зависимости полной энергии деформирования А угля от вида напряженного состояния µσ (рис. 8) следует, что энергия де- формирования водонасыщенного угля меньше, чем у исходного, а минимум её наблюдается при виде напряженного состояния, который соответствует обобщенному сдвигу. Рис. 8. Зависимость полной энергии деформирования А угля в момент разрушения от вида напряженного состоя- ния 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 -1 -0,5 0 0,5 1 A v , М Д ж /м 3 μσ исход вода 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -1 -0,5 0 0,5 1 A, М Д ж /м 3 μσ исход вода Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 188 Таким образом, разрушение водонасыщеного угля в услови- ях объемного неравнокомпонентного сжатия происходит при ми- нимальных затратах энергии деформирования (локализуется в одной плоскости) и за счет сдвигового механизма разрушения. Выводы При водонасыщении песчаников значительно уменьшается их трещиностойкость, что в итоге способствует развитию трещин и, следовательно, созданию новых проводников воды в горном массиве. Для песчаников и углей при водонасыщении в условиях объемного нагружения происходит уменьшение модулей дефор- мации и сдвига, увеличение коэффициента поперечной деформа- ции, т.е. происходит их пластифицирование, уменьшение энергии деформирования и реализуется сдвиговой механизм разрушения. В угольном пласте наибольшее влияние на физико- механические свойства углей водонасыщение оказывает в зоне предельного состояния (2 и 3 участки его объемного нагруже- ния). Существенные изменения физико-механических свойств горных пород при водонасыщении в условиях поля сжимающих напряжений могут привести к потере устойчивости горного мас- сива и активизации сдвижения земной поверхности над вырабо- танным пространством. СПИСОК ССЫЛОК 1. Четверик М. С. Теория сдвижения массива горных пород и управление деформационными процессами при подземной выемке угля. [Текст] / М. С. Четверик, Е. В. Андрощук –– Днепроперовск : РИА «Днепр-VAL», 2004. –– 148 с. 2. Алексеев А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. [Текст] / А. Д. Алексеев, В. Н. Ревва, Н. А. Рязанцев –– К : Наукова думка, 1989. –– 168 с. 3. Забигайло В. Е. Выбросоопасность горных пород Донбасса. [Текст] / В. Е. Забигайло, В. В. Лукинов, А. З. Широков –– К : Наукова думка, 1983. –– 288 с. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 12, 2013 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 12, 2013 189 4. Ревва В. Н. Разрушение водонасыщенного угля при различ- ных видах деформационного состояния. [Текст] / В. Н. Ревва, А. В. Молодецкий, В. В. Завражин, Д. С. Кодберг // Геотехни- ческая механика. –– Днепропетровск. –– 2010. –– № 89. –– С. 152––156. 5. Ревва В. Н. Разрушение водонасыщенного угля при различ- ных видах напряженного состояния. [Текст] / В. Н. Ревва, А. В. Молодецкий, В. В. Завражин, Н. И. Василенко // Физико – технические проблемы горного производства. –– Донецк –– 2007 –– № 10. –– С. 81––94. 6. Докукин А. В. Моделирование предельно напряженного сос- тояния угольных пластов. [Текст] / А. В. Докукин, С. Е. Чирков, Б. К. Норель –– М. Наука, 1981. –– 152 с. 7. Норель Б. К. Изменение прочности угольного пласта в масси- ве. [Текст] / Б. К. Норель. –– М. Наука, 1983. –– 128 с. 8. Ревва В. Н. Деформирование и разрушение горных пород и углей при объемном нагружении. [Текст] / В. Н. Ревва, А. В. Молодецкий // Физико-технические проблемы горного производства. –– Донецк –– 2007 –– № 10 –– С. 81––94. 9. Alexeev A. D. Stress state effect on the mechanical of coals under true triaxial Compression Conditions. [Текст] / A. D. Alexeev, V. N. Revva, A. V. Molodetski –– True Triaxial Testing of Rocks. –– Geomechanics Series Volume 4 –– 2011 –– P. 281––291.

Схожі ресурси