Введение к работе
Актуальность работы. Усложнение горно-геологических условий добычи угля на шахтах, рост нагрузок на выемочные участки, повышение уровня травматизма требуют оперативного управления технологическими процессами с использованием информационной базы данных и знаний, которая регулярно обновляется по результатам визуального и инструментального мониторинга. Важным элементом базы данных являются сведения о параметрах физико-механических свойств горных пород. В этой связи актуальными являются исследования, обеспечивающие достоверность прочностных и деформационных свойств пород.
Низкая надежность, значительная трудоемкость и стоимость лабораторного контроля прочностных и деформационных свойств горных пород способствовали разработке и широкому применению натурных методов, актуальным направлением развития которых является совершенствование систем сбора, хранения, обработки, передачи полученной информации, а также ее интерпретации с привлечением различных математических моделей и статистических методов.
Одним из перспективных методов контроля свойств пород являются натурные испытания, в том числе вдавливание индентора в стенки скважины, пробуренной в массиве горных пород. В отечественной и зарубежной практике разработано много технических средств, реализующих данный метод контроля. Однако, механизм математической интерпретации результатов мониторинга методом вдавливания индентора, соответствующий потребностям горной практики, в настоящее время не доведен до практического применения. При этом выявленные эмпирическим путем корреляционные зависимости между контактной прочностью горной породы и ее другими физико-механическими параметрами, а также применяемые приборы определения контактной прочности, не всегда по уровню надежности соответствуют требованиям горного производства.
В связи с данными обстоятельствами одной из актуальных задач в горной науке и практике является разработка технического устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах методом вдавливания индентора. При этом целесообразно использовать математическую модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора для интерпретации показаний прибора и определения предела разрушения.
Работа выполнена по инициативе ООО «ЭО Экспертпромуголь» в рамках гранта ректора ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Цель работы: Повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.
Идея работы: повышение точности, оперативности и расширение диапазона измерений при определении прочности горных пород в окрестностях скважины достигается записью результатов исследования на съемные носители памяти, использованием для интерпретации показаний прибора математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, а также достижением увеличения нагрузки на инденторе прибора посредством оригинальной конструкции гидравлического цилиндра.
Задачи исследования:
1. Провести анализ существующих методов и средств контроля прочностных и деформационных свойств горных пород.
2. Обосновать метод вдавливания индентора для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.
3. Провести анализ точности, оперативности и надежности существующих приборов для измерения контактной прочности горных пород в скважинах.
4. Разработать конструкцию устройства для определения контактной прочности пород в скважинах, пробуренных в окрестности подземных горных выработок.
5. Адаптировать к условиям скважинных измерений, реализовать на ЭВМ и протестировать математическую модель напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.
6. Изучить посредством численного моделирования влияние основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.
7. Разработать методику оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горных выработок.
8. Провести апробацию методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения.
Методы исследований.
В работе использовались лабораторные методики при определении физико-механических свойств искусственных образцов; натурные эксперименты при проведении тестирования математической модели, а так же апробации разработанного устройства, методики и программного обеспечения; методы математической статистики и численного моделирования при обработке результатов исследований.
Научная новизна работы:
1. Повышена точность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством разработки метода, отличающегося синтезом процедур натурного измерения контактной прочности и компьютерной обработки с привлечением адаптированной к условиям скважинных измерений математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород и авторского программного обеспечения.
2. Расширен диапазон определения прочности горных пород в окрестности скважины посредством разработки устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах «Прочностномер ПСШ-1», отличающегося конструкцией гидроцилиндра, включающей в себя нагрузочный и бесштоковый поршни, и позволяющей осуществлять внедрение индентора в особо крепкие горные породы (патент РФ № 2433266 от 10.11.2011).
3. Повышена оперативность оценки прочности горных пород в окрестностях скважины посредством использования авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612864).
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждается результатами лабораторных исследований с использованием стандартных методик, численным моделированием, положительными результатами апробации разработанной методики, устройства для ее реализации «Прочностномер ПСШ-1» и программного обеспечения в условиях Центра коллективного пользования «Материаловедение» СибГИУ, а также рекомендациями к их внедрению, выданными экспертными и научно-исследовательскими организациями.
Практическая ценность работы заключается:
1. В возможности применения метода оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для его реализации и программного обеспечения с целью оперативного контроля, прогнозирования и управления геомеханической обстановкой в горной выработке, повышения качества проектной документации и проведения профилактических мероприятия по предупреждению аварийных ситуаций в угольных шахтах.
2. В использовании авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ при определении напряженно-деформированного состояния горных пород, с целью сокращения ресурсоемкости вычислений по сравнению с известными программными решениями.
3. В развитии конструкции трехполостного гидравлического цилиндра с нагрузочным и бесштоковым поршнями, для усиления давления в напорной полости по сравнению с давлением подводимой жидкости в условиях рабочего пространства, ограниченного диаметром скважины.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты диссертационной работы и техническая документация переданы в ООО «ИНГОРТЕХ» для использования в системе локального и текущего контроля состояния горного массива «Микон-ГЕО». Разработанное автором устройство для определения контактной прочности горных пород в скважинах в совокупности с методикой оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, и прилагаемым программным обеспечением рекомендованы к внедрению на угольных шахтах и разрезах ООО «ВостНИГРИ», ООО «ЭО Экспертпромуголь», ОАО «СибНИИуглеобогащение», ЗАО «Уралгормаш».
Личный вклад автора состоит:
1. В обосновании по итогам патентного поиска и литературных источников метода вдавливания индентора как наиболее перспективного и информативного для определения прочностных и деформационных свойств горных пород.
2. В разработке конструкции устройства для определения контактной прочности горных пород в скважинах с привлечением авторских технических решений.
3. В адаптации к условиям скважинных измерений, реализации ЭВМ и тестировании математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора.
4. В изучении посредством численного моделирования влияния основных факторов на процессы деформации и разрушения горных пород в скважинах под действием индентора.
5. В разработке методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.
6. В апробации методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройства для ее реализации и программного обеспечения посредством проведения натурного эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на научно-практических семинарах (г. Новокузнецк 2007-2012), на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: г. Новокузнецк 2008, 2009, 2010, 2012; г. Кемерово 2009; г. Новосибирск 2010; г. Черкассы 2011. На научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ОУК Южкузбассуголь» разработанная методика, устройство «Прочностномер ПСШ-1» и программное обеспечение были отмечены дипломом в номинации «За научную новизну».
По результатам исследований получен грант ректора ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» в 2010 г.
Публикации. Основное содержание диссертации и ее результаты опубликованы в 16 печатных работах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Содержит 45 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 134 наименований, 7 приложений. Общий объем работы 141 страница.
