Научтруд
Войти

КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДГОТОВКЕ ГОРНЫХ УДАРОВ

Научный труд разместил:
Boguslav
18 августа 2020
Автор: Ли К.Х.

I К.Х. Ли// K.Kh. Li

научный сотрудник лаборатории борьбы с газодинамическими проявлениями АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3

scientific researcher of gas-dinamic manifestation suppression laboratory, AO "ScC VostNII", 650002, Kemerovo, Institutskaia St., 3

| В. В. Иванов// V.V. Ivanov v.ivanov@nc.vostnii.ru

доктор техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», 650002, г. Кемерово, ул. Институтская,3

leading researcher of AO "ScC VostNII", doctor of technical sciences, professor, 650002, Kemerovo, Institutskaia St., 3

УДК 622.831

КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДГОТОВКЕ ГОРНЫХ УДАРОВ

KINETIC CONCEPTIONS OF ROCK DESTRUCTION DURING ROCK BUMP PREPARATION

Рассматривается кинетическая концепция подготовки горных ударов и предлагается кинетическая модель накопления трещин. Показано, что в основе разрушения структурных блоков горных пород любого иерархического уровня лежит случайный процесс накопления повреждений (трещин) меньшего размера, причем на этот процесс оказывает влияние множество различных горно-геологических и горно-технических факторов. Процесс накопления трещин в естественных условиях является квазистационарным случайным процессом, при этом периоды стационарности описываются пуассоновским распределением. На стадии нестационарности происходит локальное повышение уровня действующих напряжений и лавинное нарастание числа трещин, причём интенсивность пуассоновского потока становится возрастающей функцией времени. Интенсивность случайного потока трещин предлагается определять с помощью скорректированного кинетического уравнения прочности С.Н. Журкова. Критическое число накопленных трещин, которое непосредственно предшествует катастрофическому разрушению предлагается оценивать на основе концентрационного критерия Журкова С.Н. - Петрова В.А. Кинетический подход к описанию разрушения горных пород позволяет спрогнозировать дату крупномасштабного разрушения. Приводится пример прогноза горного удара из каталога горных ударов Таштагольского рудника на основе регистрации акустических предвестников горного удара. Таким образом, предлагаемая кинетическая модель подготовки горных ударов показывает свою работоспособность и может быть использована при описании кинетики подготовки горных ударов.

The kinetic concept of preparing rock impacts is considered and a kinetic model of crack accumulation is proposed. It is shown that the destruction of structural blocks of rocks of any hierarchical level is based on a random process of accumulation of damages (cracks) of a smaller size, and this process is influenced by many different mining and geological and mining and technical factors. The process of crack accumulation under natural conditions is a quasi-stationary random process, and the periods of stationarity are described by the Poisson distribution. At the non-stationary stage, there is a local increase in the level of active stresses and an avalanche increase in the number of cracks, and the intensity of the Poisson flow becomes an increasing function of time. The intensity of the random crack flow is proposed to be determined using the corrected kinetic strength equation of S. N. Zhurkov. The critical number of accumulated cracks that immediately precedes a catastrophic failure is proposed to be estimated based on the concentration criterion of Zhurkov S. N.-Petrov V. A. The kinetic approach to describing the destruction of rocks allows us to predict the date of large-scale destruction. The example of the forecast of the mining the impact of mining strikes catalogue of Tashtagol mine based on the acoustic precursors of rock burst. Thus, the proposed kinetic model of mountain shock preparation shows its efficiency and can be used in describing the kinetics of mountain shock preparation.

В основе разрушения структурных блоков горных пород любого иерархического уровня лежит случайный процесс накопления повреждений меньшего размера [1]. На этот процесс оказывает влияние множество различных горно-геологических и горно-технических факторов. Процесс накопления трещин в естественных условиях является квазистационарным случайным процессом, при этом периоды стационарности описываются пуассоновским распределением. На стадии нестационарности происходит локальное повышение уровня действующих напряжений и лавинное нарастание числа трещин, причём интенсивность пуассо-новского потока становится возрастающей функцией времени.

Интенсивность случайного потока трещин оценивается с помощью скорректированного кинетического уравнения прочности С.Н. Журкова [1,2].

Разрушение блока заданных размеров происходит при выполнении концентрационного критерия разрушения [3].

На всех стадиях вследствие накопления трещин разрушение горных пород сопровождается акустической эмиссией (АЭ) и электромагнитным излучением (ЭМИ) в очень широком диапазоне частот. Электромагнитные и акустические предвестники используются для прогноза разрушения участков массива горных пород. Кинетический подход к описанию разрушения горных пород позволяет спрогнозировать дату крупномасштабного разрушения 4].

Прогноз удароопасности на основе кинетических представлений о подготовке горных ударов осуществляется следующим образом. Удароопасные участки массива выделяются на ранних стадиях по величине потенциала квазистационарного электрического поля, повышенному уровню электромагнитного излучения, аномально высоким значениям частоты счёта импульсов ЭМИ и т.п. Породы на удароопасных участках обладают обычно повышенной хрупкостью и другими специфическими свойствами.

На удароопасном участке массива выбирается пространственное окно с размерами, примерно на порядок превышающими размер

Таблица 1 Иерархия структур в массиве горных пород Table 1 Structure hierarchy in a rock massif

готовящегося очага разрушения. Связь энергии прогнозируемого события (в джоулях) с размерами очага (в метрах) можно определить по эмпирической формуле К. Касахары 5] .

Поскольку отношение энергий двух соседних иерархических уровней разрушения составляет примерно четыре порядка, по выбранной энергии W прогнозируемого события можно определить энергию предвестников и размер трещин, кинетику которых необходимо отслеживать в процессе мониторинга участка массива. Например, прогноз события с энергией 105 Дж осуществляют по кинетической кривой накопления событий с энергией 101 Дж, что соответствует размеру образующихся трещин 1-0,9 м.

Для удобства использования данных представлений в табл. 1 приведены иерархические уровни разрушения и соответствующая им выделяемая сейсмическая (сейсмоакустиче-ская) энергия.

В работе [1] показано, что кинетический подход к разрушению горных пород позволяет оценить текущую дату горного удара по непосредственным наблюдениям за процессом трещинообразования в выбранном структурном блоке массива горных пород.

Проверка сформулированных принципов прогноза разрушения горных пород в реальных условиях была проведена на основе обработки наблюдений, зарегистрированных сейсмостан-цией Таштагол.

На рис.1 приведены результаты ретроспективного прогноза горного удара с энергией W=107 Дж по предвестникам с энергией W=103 Дж.

Таким образом, приведённые данные свидетельствуют об удовлетворительной точности прогноза горных ударов по сейсмическим предвестникам и правильности предложенной

Размер трещины (линейный размер очага разрушения или очага горного удара), Ц м Сейсмическая энергия, выделяемая при разрушении горных пород,^ Дж

0,04 10 -3
0,86 10
1,82 102
3,89 103
8,31 104
18,6 10 5
39,8 10 6
85,3 10 7
183,6 10 8
397,8 10 9
25
25
2
3 10
15

■ " ■ "ПН"5 ° 0-0-0.

Ыад- О

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

текущее время

Рисунок 1. Прогноз горного удара с энергией W=3,5• 107, Дж. (1-прогнозируемое время до горного удара,

2-ошибка прогноза)

Figure 1. Forecast of a rock bump with energy W = 3.5-0 7, J. (1-forecasted time before a rock bump, 2-forecast error)

себя стационарную сейсмостанцию на земной СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов, В.В. Физические основы электромагнитных процессов при формировании очага разрушения в массиве горных пород.[Текст]: дис. докт. техн. наук: 05.15.11: защищена 02.07.94: утв. 15.09.94 / В. В. Иванов. - Кемерово, 1994. -366 с.
2. Журков, С.Н. Кинетическая концепция прочности твёрдых тел // Вестн. АН СССР- 1968.- №3.- С. 3-17.
3. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов / А.Ю. Гор, В.С.Куксенко, Н.Г. Томилин, Д.И. Фролов // ФТПРПИ.- 1989.- №3.- С. 54-60.
4. Журков, С. Н. Физические основы прогнозирования механического разрушения [Текст] / С. Н. Журков, В. С. Куксенко, В. А. Петров // ДАН СССР 1981, т. 259, № 6, - с. 1350 - 1353.
5. Касахара К. Механика землетрясений.- М.:Мир,1985.- 264с.

REFERENCES

1. Ivanov, V.V. (1994). Fizicheskiye osnovy elektromagnitnykh protsessov pri formirovanii ochaga razrusheniya v massive gornykh porod [The physical basis of electromagnetic processes in the formation of destruction center in a rock mass].Doctor&s thesis. Kemerovo [in Russian].
2. Zhurkov, S.N. (1968). Kineticheskaya kontseptsiya prochnosti tvordykh tel [Kinetic concept of solids strength]. Vestnik AN SSSR - Bulletin of the USSR Academy of Sciences6 3, 3-17 [in Russian].
3. Gor, A.Yu., Kuksenko, V.S., Tomilin, N.G., Frolov, D.I. (1989). Kontsentratsionnyy porog razrusheniya i prognoz gornykh udarov [Destruction concentration threshold and rock bump forecast]. FTPRPI, 3, 54-60 [in Russian].
4. Zhurkov, S.N., Kuksenko, V.S. Petrov, V.A. (1981). Fizicheskiye osnovy prognozirovaniya mekhanicheskogo razrusheniya [Physical basis for mechanical destruction forecast]. DAN USSR, volume 259, 6, 1350-1353 [in Russian].
5. Kasakhara, K. (1985). Mekhanika zemletriasenii [Earthquake mechanics]. Moscow: Mir [in Russian].

кинетическои модели подготовки горных ударов. По мере накопления информации прогноз становится всё более точным вследствие приближения теоретической кривой накопления событии к экспериментальной.

В настоящее время эта система не работает.

поверхности, датчики акустической эмиссии, размещаемые под землей в массиве горных пород рудника, а также проводную систему связи подземных павильонов с сейсмостанцией.

Решение задачи прогноза горных ударов требует точного определения координат предвестников в массиве. До середины девяностых годов прошлого века эту задачу на Таштагольском руднике решала система сейс-моакустического контроля, которая включала в

Таким образом, предлагаемая кинетическая модель подготовки горных ударов показывает свою работоспособность и может быть использована при описании кинетики подготовки горных ударов.

40
ГОРНЫЙ УДАР ПОДГОТОВКА ПРОГНОЗ КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТРЕЩИНЫ НАКОПЛЕНИЕ rock bump preparation forecast kinetic theory