На правах рукописи

ЦОЙ Павел Александрович

ДЕФОРМИРОВАНИЕ и разрушение КВАЗИПЛАСТИЧНЫХ ГЕОМАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПРОСТОГО И СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЙ

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте горного дела СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Жигалкин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Никитенко Анатолий Федорович

кандидат физико-математических наук, доцент

Ратничкин Анатолий Андреевич

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита состоится л 12 октября 2009 г. в 15 часов на

заседании диссертационного совета Д 003.054.02

в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан л сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н., доцент Кургузов В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная задача обеспечения безопасных условий ведения горных работ при подземной отработке месторождений водорастворимых руд (каменная соль, сильвинит, карналлит) - предотвращение опасности прорыва надсолевых вод в подземные горные выработки. В большинстве случаев это достигается использованием камерной системы разработки с поддержанием вышележащей толщи на целиках. При этом налегающие породы должны сохранять свою сплошность на весь срок службы рудника, играя роль водоупорного целика. В мировой практике известно более 80 случаев затопления соляных и калийных рудников в результате поступления надсолевых пресных вод в выработанное пространство. В качестве характерного примера крупных аварий, имевших место в последние годы, явилось затопление в 1986 году крупнейшего в Европе Третьего Березниковского рудника Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС).

Основной причиной аварий в большинстве случаев является несоответствие параметров камерной системы разработки (ширина камер и междукамерных целиков) горно-геологическим условиям конкретных отрабатываемых участков. Как правило, эти несоответствия приводят к разрушению целиков, сдвижению подработанной водозащитной толщи, образованию сквозных водопроводящих трещин, деформациям и разрушению объектов на поверхности. Для разработки способов предотвращения аварийных ситуаций необходимо проведение исследований физико-механических свойств горных пород и моделирование напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов подземных выработок. Поэтому эта работа, выполненная в рамках интеграционного проекта СО РАН и УРО РАН №191, является своевременной и актуальной. Финансовая поддержка в 2005 г. осуществлялась Российским фондом фундаментальных исследований (№ 07-05-96019 урал-а), интеграционных проектов СО РАН, УрО РАН, НАН Украины (№№ 05-11-04, 93, 2.19), в 2008 г. при финансовой поддержке РФФИ (№№ 06-05-64738-а, 06-05-64596-а, 08-05-00406-а, 08-05-00543-а, 08-05-00509-а), СО РАН и УрО РАН (интеграционные проекты №№ 2-14, 6.19, 18, 89, 93).

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование деформирования и разрушения квазипластичных геоматериалов при простом и сложном видах нагружения.

Задачи исследований:

-исследовать влияние опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки - разгрузки) на вид кривых напряжение-деформация для образцов квазипластичных геоматериалов;

-построить зависимости напряжение - деформация для квазипластичных геоматериалов по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова, опираясь на данные экспериментов в условиях сложного нагружения;

-оценить разрушающие деформации квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения, исходя из построенных соотношений напряжение - деформация по моделям Чанышева и Леонова-Рычкова;

-построить огибающие предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания (среза) для квазипластичных геоматериалов по данным экспериментов в условиях сложного нагружения.

Методы исследований: экспериментальные и аналитические методы.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Существуют особенности влияния опытных условий (геометрических размеров, скорости деформации, граничных условий на торцах образца, бокового давления, нагрузки - разгрузки) на вид кривых напряжение-деформация для образцов квазипластичных геоматериалов.

2. Существуют единые зависимости напряжение-деформация, построенные на основе математических моделей Чанышева и Леонова-Рычкова по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов. Количественная оценка разрушающих деформаций для квазипластичных геоматериалов, основанная на обратном пересчете по вышеуказанным моделям, находится в удовлетворительных пределах отклонения от исходных экспериментальных значений.

3. Существуют уравнения огибающих предельных кругов Мора с учетом угла среза образцов, построенные по данным сложного нагружения образцов квазипластичных геоматериалов.

Достоверность научных результатов обеспечивается: современным оборудованием, имеющим сертификат качества; последовательностью и строгостью математических выкладок; воспроизводимостью результатов экспериментов; непротиворечивостью полученных результатов результатам других исследователей.

Новизна научных положений:

- дополнение и уточнение сложившейся базы экспериментальных данных по простому и сложному нагружениям квазипластичных геоматериалов (пестрый сильвинит, каменная соль) при различных опытных условиях;

- построение зависимостей напряжение - деформация по математическим моделям Чанышева и Леонова-Рычкова для квазипластичных геоматериалов в условиях сложного нагружения и их использование для оценки разрушающих деформаций;

- введение при построении огибающих предельных кругов Мора нового математического описания параметра, характеризующего квазипластичные геоматериалы.

ичный вклад автора:

ичное участие автора заключается в: постановке целей и задач исследований, а также определении путей их решения; проведении экспериментов; обработке результатов опытов и их анализе; установлении зависимостей напряжение - деформация по математическим моделям Леонова-Рычкова и Чанышева; построении огибающих предельных кругов Мора с учетом ориентации плоскости скалывания.

Практическая ценность работы. Наблюдения, теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния целиков показывают, что характер их деформирования и разрушения подобен тому, что имеет место при испытании образцов. Это позволяет использовать полученные в работе закономерности и данные о механических свойствах геоматериалов при анализе напряженно-деформированного состояния характера разрушения и оценке устойчивости соляных междукамерных целиков.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научном симпозиуме Неделя Горняка - 2007, Москва, МГГУ, 2007; семинаре Геомеханика и геофизика - 2007, Новосибирск, ИНГГ СО РАН, 2007; конференции Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва, Новосибирск, ИГИЛ СО РАН, 2007; XVII международной научной школе им. академика С.А. Христиановича Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках, Алушта, 2007; научном симпозиуме Неделя Горняка - 2008, Москва, МГГУ, 2008.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в четырех печатных работах из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, двух глав, заключения и приложения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования. Приводится характеристика работ, в которых экспериментально и теоретически проведено исследование полных диаграмм напряжение-деформация с ниспадающей ветвью для различных горных пород. Эти работы связаны с именами И.В. Баклашова, С.Д. Волкова, Г.И. Дубровиной, А.А. Лебедева, А.Н. Ставрогина, В.В. Стружанова, Фридмана Я.Б., Г.П. Черепанова, C.A. Tang и другими.

Основной вопрос состоит в объяснении и описании запредельного участка диаграммы.

Сопротивление разрушению есть не только свойство материала, но также оно определяется жесткостью нагружающей системы (Я.Б. Фридман). В неё входит комплекс, состоящий из нагружающего устройства и деформируемого тела, окружающего область разрушения. Также и режим нагружения существенным образом влияет на поведение ниспадающей ветви диаграммы. Наряду с этим ряд авторов (А.А. Лебедев, Г.И. Дубровина) придерживается позиции, которая отражает влияние процесса накопления повреждений на вид запредельной ветви деформирования.

Существуют диаметрально противоположные мнения по поводу принятия запредельного участка деформирования в качестве характеристики материала. Так, Г.П. Черепанов, C.A. Tang считают, что запредельный участок является динамической характеристикой системы лобразец - испытательная машина. С другой стороны, ряд экспериментальных работ А.А. Лебедева с соавторами, В.В. Стружанова, а также А.Н. Ставрогина показал, что ниспадающая ветвь все же зависит не только от жесткости испытательной машины, но и является характеристикой материала. Наличие ниспадающего участка диаграммы говорит о том, что разрушение материала - это не мгновенный акт, а непрерывный процесс, продолжающийся в течение определенного промежутка времени.

Деформационное разупрочнение материала связано с возникновением магистральной трещины, которая, в результате, является основной причиной снижения нагрузки (М.Я. Леонов, Б.А. Рычков, А.Н. Ставрогин, Tien Yong Ming).

На основе экспериментальных данных и теоретических предположений рядом исследователей (И.М. Петухов и А.М. Линьков, И.В. Баклашов, А.Ф. Ревуженко, А.Н. Ставрогин, В.В. Стружанов) были сформулированы соотношения запредельного деформирования горных пород.

Данная работа, являясь частью вышеперечисленных исследований, ориентируется на изучение квазипластичных геоматериалов (соляных горных пород) в условиях простого и сложного нагружений с использованием испытательного пресса жесткого типа.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию квазипластичных геоматериалов (соляные породы). Приводится описание образцов соляных пород, испытательного оборудования, методика проведения экспериментов и обработки полученных данных (рис.1, табл.1).

Рис.1. Схема к определению прочностных, деформационных и энергоемкостных характеристик квазипластичных геоматериалов.

Изготовлялись цилиндрические образцы соляных пород, которые имели диаметр поперечного сечения d=38 мм и высоту h равную 76, 57, 38 и 19 мм. За базу образцов, по которой измерялись осевые перемещения, принимались величины, составлявшие 50, 25 и 12,5 мм.

Испытания в условиях простого (одноосное сжатие) и сложного нагружений (трехосное сжатие) проводились на установке фирмы Instron модель 8802.

Табл. 1

Она представляет собой автоматизированную электрогидравлическую систему. Номинальная нагрузка пресса - 25 тонн. Жесткость - Н/м. Всего было проведено порядка 300 экспериментов.