The octahedral concept and cubic triaxiality in assessment of secondary stress state

Abstract

Purpose. The opportunities offered by rock mechanics as a science are not fully and efficiently applied in the design and assessment of underground constructions performed in salt massifs, especially in the efficient design and long-term lifetime of the geometrical elements that characterize the exploitation method with rooms and pillars. It can be asserted that such a conventional limitation of the possibilities of rock mechanics, is due to some gaps, the lack of a fundamental theoretical – experimental theory regarding the three-dimensional behavior of the rock mass. Methods. The mechanical behavior of the salt was studied under triaxial conditions. The conventional triaxial method was supplemented with a three-dimensional analysis  –  of salt massif and of rooms and pillars exploitation complex by cubic triaxiality. The deformation behavior of the salt was studied through the assessment of both cylindrical triaxial and cubic triaxial. Findings. Analytically, based on the cubic triaxial experiments according to the octahedral concept, deformation and rheological properties of salt, results that a salt massif can be characterized in terms of the natural stress state value, by three types of zones: stable, transition and unstable. Originality. Based on the octahedral geomechanical parameters, an analytical model for the characterization of salt massifs has been proposed, a model that has been verified both by laboratory research by the instrumentality of modelling and also by in situ measurements. In this context, it resulted that for the analyzed salt with the highest resistance, the octahedral strength does not exceed 5.6 MPa and, therefore, it is dangerous to use in the salt mines field design values of 2 to 5 times higher than the real value. Practical implications. The determination of stress – deformation natural state is related to the highlighting of the contour or limits of the zones situated in a certain state (in triaxial context) with the consideration of the determinative anisotropy, namely, of strength and deformation anisotropy, as well as of the rheological behavior of in situ salt.

Мета. Вивчення особливостей використання октаедричної концепції поведінки гірських порід і соляного масиву шляхом оцінки міцності на стиск і зсув октаедра та реологічних характеристик деформації. Оцінка в контексті кубічної тривісності кореляції між розподілом напружено-деформованого стану ціликів і стелин з можливістю забезпечення їх стійкості, що впливає на інтенсивність вилучення корисної копалини. Методика. Виконувалися петрографічні дослідження зразків кам’яної солі із використанням мікроскопії. Механіка поведінки соляного масиву вивчалася в умовах тривісного стиску. Використано кубічне тривісне обладнання, розроблене і виконане в лабораторії механіки гірських порід з Університету Петросані. Традиційний тривісний метод був доповнений тривимірним аналізом соляного масиву при складній експлуатації камерно-стовпової системи розробки з урахуванням кубічної тривісності. Деформації соляного масиву оцінювалися в контексті циліндричної і кубічної тривісності. Результати. Проведено аналіз деформацій соляного пласта і його реологічних властивостей на основі кубічного тривісного експериментального дослідження з урахуванням октаедричної концепції, що дозволило охарактеризувати його з точки зору величини природних напружених станів в трьох різних зонах: стабільній, перехідній та нестабільній. Встановлено, що коефіцієнт деформації напруженого стану октаедра солі в цілому визначає структурну стабільність розробок в соляних шахтах. Показано, що для солі з найвищим опором міцність октаедра не перевищує 5.6 МПа, що робить небезпечним застосування в соляних шахтах розрахункових величин межі міцності в 2 – 5 разів більше реальної величини. Наукова новизна. Розроблено аналітичну модель характеристики соляного масиву, що побудована на октаедричних і геомеханічних параметрах та підтверджена лабораторними дослідженнями, моделюванням і натурними вимірами. Виявлено поріг поділу для в’язко-еластичної деформації в порівнянні з в’язко-пластичною, що дозволило оцінити швидкість в’язко-пластичного сольового потоку. Практична значимість. Визначення природного стану напружень та деформацій з урахуванням визначальної анізотропії міцності і деформації, а також реологічної поведінки солі в пласті необхідно для оцінки стійкого стану підземних споруд і елементів систем розробки соляних пластів.

Цель. Изучение особенностей использования октаэдрической концепции поведения горных пород и соляного массива путем оценки прочности на сжатие и сдвиг октаэдра, реологических характеристик деформации. Оценка в контексте кубической трехосности корреляции между распределением напряженно-деформационного состояния целиков и потолочин с возможностью обеспечения их устойчивости, влияющей на интенсивность извлечения полезного ископаемого. Методика. Выполнялись петрографические исследования образцов каменной с использованием микроскопии. Механика поведения соляного массива изучалась в условиях трехосного сжатия. Использовано кубическое трехосное оборудование, разработанное и выполненное в лаборатории механики горных пород из Университета Петросани. Традиционный трехосный метод был дополнен трехмерным анализом соляного массива при сложной эксплуатации камерно-столбовой системы разработки с учетом кубической трехосности. Деформации соляного массива оценивались в контексте цилиндрической и кубической трехосности. Результаты. Проведен анализ деформаций соляного пласта и его реологических свойств на основе кубического трехосного экспериментального исследования с учетом октаэдрической концепции, что позволило охарактеризовать его с точки зрения величины естественных напряженных состояний в трех различных зонах: стабильной, переходной и нестабильной. Установлено, что коэффициент деформации напряженного состояния октаэдра соли в целом определяет структурную стабильность разработок в соляных шахтах. Показано, что для соли с самым высоким сопротивлением прочность октаэдра не превышает 5.6 МПа, что делает опасным применение в соляных шахтах расчетных величин предела прочности в 2 – 5 раз больше реальной величины. Научная новизна. Разработана аналитическая модель характеристики соляного массива, построенная на октаэдрических и геомеханических параметрах и подтверждена лабораторными исследованиями, моделированием и натурными измерениями. Выявлен порог разделения для вязко-эластичной деформации по сравнению с вязко-пластичной, что позволило оценить скорость вязко-пластичного солевого потока. Практическая значимость. Определение естественного состояния напряжений и деформаций с учетом определяющей анизотропии прочности и деформации, а также реологического поведения соли в пласте необходимо для оценки устойчивого состояния подземных сооружений и элементов систем разработки соляных пластов.