Method of simulating rock mass stability in laboratory conditions using equivalent materials

Abstract

Purpose. To determine the qualitative composition of the equivalent material of a laboratory model representing Kryvyi Rih iron-ore basin ground, as well as to develop a method to determine its quantitative composition for the study of the rock mass stability in the laboratory conditions with the geometric scale of similarity 1:200. Methods. Laboratory studies on models with geometric scale of similarity 1:200 allowed to establish the dependence of the initial stress changes on the percentage of the components comprising the equivalent material. Findings. As a result, the study found that it is expedient in laboratory conditions to replace the full-size model by the sand and paraffin-based equivalent material consisting of granite chips, cast iron, silica sand, mica and paraffin wax. It was established that the quantitative composition of the equivalent material mixture simulating rocks of Kryvyi Rih iron-ore basin consists of cast iron and granite chips (34%) and silica sand, mica and paraffin (66%). Originality. For the first time, the empirical dependence of initial stress occurring in the equivalent material on the percentage of paraffin and iron has been set. Initial stress in the equivalent material depend directly on the amount of cast iron in the mixture and vary according to the polynomial dependence, and the amount of paraffin in the mixture varies according to the quadratic dependence. Practical implications. The obtained results of laboratory tests can be used with sufficient accuracy for physical modeling of processes occurring in rocks during underground mining, and the resulting values of modeling can be used in the design of stopes to be developed.

Цель. Определить качественный состав эквивалентного материала лабораторной модели, отражающей горный массив Криворожского железорудного бассейна, а также разработать методику по определению его количественного состава при исследовании устойчивости горного массива в лабораторных условиях с геометрическим масштабом подобия 1:200. Методика. Лабораторными исследованиями на моделях с геометрическим масштабом подобия 1:200 установлена зависимость изменения первоначальных напряжений от процентного соотношения компонентов, входящих в эквивалентный материал. Результаты. В результате исследований установлено, что натуральную модель целесообразно в лабораторных условиях заменять эквивалентным материалом на песчано-парафиновой основе, состоящей из гранитной крошки, чугуна, кварцевого песка, слюды и парафина. Установлено, что количественный состав смеси эквивалентного материала, имитирующий горные породы Криворожского железорудного бассейна, составляет чугун и гранитная крошка в объеме 34%, а кварцевый песок, слюда и парафин – 66%. Научная новизна. Впервые установлена эмпирическая зависимость первоначальных напряжений, возникающих в эквивалентном материале от процентного количества парафина и чугуна. В эквивалентном материале первоначальные напряжения зависят непосредственно от количества чугуна в составе смеси и изменяются по полиномиальной зависимости, а количество парафина в смеси – по квадратической. Практическая значимость. Полученные результаты лабораторных исследований с достаточной точностью могут использоваться при физическом моделировании процессов, происходящих в горных породах при подземной разработке месторождений, а полученные в результате моделирования значения – при проектировании отрабатываемых очистных блоков.

Мета. Визначити якісний склад еквівалентного матеріалу лабораторної моделі, що відображає гірський масив Криворізького залізорудного басейну, а також розробити методику визначення його кількісного складу при дослідженні стійкості гірського масиву в лабораторних умовах з геометричним масштабом подібності 1: 200. Методика. Лабораторними дослідженнями на моделях з геометричним масштабом 1:200 встановлена залежність зміни початкових напружень від процентного співвідношення компонентів, які входять до еквівалентного матеріалу. Результати. За результатами досліджень встановлено, що натуральну модель у лабораторних умовах доцільно замінювати еквівалентним матеріалом на піщано-парафіновій основі, яка складається із гранітної крихти, чавуну, кварцового піску, слюди й парафіну. Встановлено, що кількісний склад суміші еквівалентного матеріалу, що імітує гірські породи Криворізького залізорудного басейну, становить чавун і гранітна крихта в об’ємі 34%, а кварцовий пісок, слюда й парафін – 66%. Наукова новизна. Вперше встановлена емпірична залежність первинних напружень, виникаючих в еквівалентному матеріалі від процентної кількості парафіну й чавуну. В еквівалентному матеріалі початкові напруження залежать безпосередньо від кількості чавуну в складі суміші та змінюються за поліноміальною залежністю, а кількість парафіну в суміші – за квадратичною. Практична значимість. Отримані результати лабораторних досліджень з достатньою точністю можуть використовуватися при фізичному моделюванні процесів, що відбуваються у гірських породах при підземній розробці родовищ, а отримані значення в результаті моделювання можна використовувати при проектуванні очисних блоків, що відробляються.