Анотація до роботи:

Ревва В.М. Розвиток наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об’ємному нерівнокомпонентному стисненні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. – Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-прикладної проблеми, пов’язаної із розвитком наукових основ деформування та руйнування гірських порід при об’ємному стисненні з урахуванням нерівнокомпонентності напруженого стану та дефектності їх структури для удосконалення та розробки способів прогнозування та управління станом гірничого масиву.

На основі експериментальних і теоретичних досліджень встановлені закономірності деформування та руйнування гірських порід при об’ємному нерівнокомпонентному стисненні залежно від видів напруженого та деформаційного стану, історії навантаження, водо- та газонасичення, фізико-хімічної дії, глибини залягання, температурних змін в масиві та інших впливаючих факторів. Запропонований новий підхід, який враховує тріщиностійкість порід, до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок. Розроблені та апробовані методики експериментального визначення тріщиностійкості гірських порід при об’ємному навантаженні та ступеня зміцнення малостійкої покрівлі гірничих виробок. Через врахування синфазності зміни тріщиностійкості та модуля пружності удосконалено спосіб прогнозу викидонебезпечності пісковиків за ефективною поверхневою енергією. Основні наукові результати роботи знайшли своє відображення при розробці методичних вказівок та нормативних документів, які пов’язані з управлінням станом гірничого масиву і впроваджені на ряді вугільних шахт.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій отримані нові науково обґрунтовані результати в області фізичних процесів гірничого виробництва шляхом одержання теоретичних і експериментальних залежностей між параметрами навантаження та фізико-механічними властивостями гірських порід, які у сукупності представляють собою розвиток наукових основ деформування і руйнування гірських порід при об'ємному навантаженні, що дозволило вирішити науково-прикладну проблему встановлення закономірностей деформування і руйнування гірських порід в умовах об'ємного стиснення, які враховують нерівнокомпонентність поля стискаючих напружень і дефектність структури, що має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові і практичні результати роботи і висновки, що випливають з них, полягають у наступному:

1. Численні експериментальні дані з руйнування порід в умовах нерівнокомпонентного тривісного стиснення свідчать про невідповідність напруженого стану деформаційному, тобто про недотримання третього закону пластичності. Ця невідповідність, зокрема, може привести до невірної інтерпретації даних щодо виміру напружень у масиві методом розвантаження і реконструкції полів напружень.

Закономірності зміни міцності й енергоємності руйнування порід при різних схемах і видах навантаження свідчать про те, що узагальнений відрив у нерівнокомпонентному полі напружень енергетично невигідний. Руйнування відбувається шляхом комбінації подовжнього і поперечного зсувів з відривом. Найменш енергоємним є узагальнений зсув.

2. Дослідженнями деформування порід за межею пружності встановлено, що параметри позаграничного стану (залишкова міцність і модуль спаду) піддані значним коливанням. Залежно від s₂ і виду напруженого стану той самий матеріал може поводитися і як розміцнюючий, і як зміцнюючий, а руйнування може бути як стійким, так і хитливим. Максимум міцності і модуля спаду спостерігається для вугілля при узагальненому зсуві (m_e » 0). Для піщаника максимум рухливий і з ростом гідростатичного тиску зміщується з області узагальненого відриву в область узагальненого стиснення.

Урахування позаграничного стану дозволило запропонувати ряд коефіцієнтів крихкості руйнування гірських порід, що мають фізичний зміст і представляють собою відношення енергії руйнування до загальної енергії деформування.

3. Аналіз неоднорідності властивостей гірського масиву дозволив запропонувати як параметр неоднорідності ефективну поверхневу енергію порід. Показано істотний вплив структурних факторів і флюїдів на ЕПЕ, відзначається ріст ступеня дроблення при газонасичені.

Водо- і газонасичення істотно зменшують тріщиностійкість гірських порід, причому вплив вологості більш значний. Водонасичення зменшує пружні властивості гірських порід і вугілля, збільшує їхні деформації і призводить до пластифікації, локалізує руйнування, яке реалізується шляхом зсуву, і змінює його до більш в’язкого. Газонасичення порід і вугілля збільшує їхні пружні характеристики, окрихчує матеріал, інтенсифікує розвиток тріщин по всьому об’ємі, а руйнування носить динамічний характер.

В умовах об'ємного нерівнокомпонентного стиснення сорбційні властивості вугілля змінюються залежно від виду напруженого стану. Найбільша зміна в структурі вугілля (зміна кількості адсорбційних центрів) відбувається в процесі його деформування при виді напруженого стану, що відповідає узагальненому зсуву.

4. Магнезіальна і карбамідна скріплюючі суміші можуть бути використані для зміцнення гірських порід в умовах зниженої температури і підвищеної вологості порід. Найбільш ефективним буде зміцнення порід магнезіальною сумішшю для умов зниженої температури, а карбамідною сумішшю для порід з підвищеним вмістом вологи.

5. У результаті фізичного моделювання на УНТС встановлено, що зі збільшенням глибини залягання вугілля зростають його пружні властивості і гранична міцність та виявляється тенденція до більш в’язкого руйнування вугілля.

Теоретично оцінений вплив температурних змін (до 800⁰ С) в гірничому масиві на граничний стан гірських порід біля виробок в залежності від їхньої тріщиностійкості (ЕПЕ). Встановлено, що при ЕПЕ > 40 Дж/м² вплив незначний.

Запропонований і обґрунтований новий підхід до оцінки стійкості покрівлі гірничих виробок, у якому вперше враховується тріщиностійкість гірських порід. Стійкою покрівлею гірничої виробки буде та, породи якої мають тріщиностійкість більшу 50 Дж/м². Зазначений підхід може бути використаний для створення нової класифікації покрівель, що буде більш повно враховувати реальні властивості гірських порід.

На УНТС здійснене фізичне моделювання руйнування вугілля і слабких аргілітів на зразках з порожнинами стосовно до гірничих виробок і свердловин. Отримані дані про умови стійкості свердловин і гірничих виробок можуть бути використані для вибору й оптимізації геометричної форми і параметрів нового кріплення.

6. За рахунок врахування в піщанику синфазності зміни ЕПЕ і модуля пружності удосконалений спосіб прогнозу викидів піщаників за ЕПЕ.

Результати дисертаційної роботи впроваджені шляхом включення їх складовою частиною до 4 нормативно-методичних документів.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений/А.Д.Алексеев, В.Н.Ревва, Н.А.Рязанцев – Киев: Наукова думка, 1989. – 168 с.

2. Методические указания по региональной гидрообработке выбросоопасных угольных пластов водным раствором ПАВ через скважины, пробуренные из полевых выработок/А.Д.Алексеев, Н.М.Петухов, А.А.Гребенщиков, А.Е.Жуков, В.А.Канин, С.Г.Лунев, Г.П.Стариков, В.Н.Ревва. – Донецк: Препринт ДонФТИ АН УССР, 89-12, 1989. – 13 с.

3. Методические указания по обработке выбросоопасных угольных пластов в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления водными растворами ПАВ/А.Д.Алексеев, Г.П.Стариков, С.Г.Лунев, Н.В.Недодаев, А.И.Сердюков, В.Н.Ревва. – Донецк: Препринт ДонФТИ АН УССР, 90-11, 1990. – 13 с.

4. Компьютерный вариант составления паспортов управления кровлей и крепления лав пластов с углами падения свыше 35⁰ (Руководство). – Донецк: Минуглепром Украины. – 1998. – 123 с.

5. Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами. СОУ 101.00171144.002-2004: Стандарт Мінпаливенерго України: Прийнято та надано чинності 30.06.2004. – Київ: Мінпаливенерго України. – 2004. – 14 с.

6. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Характер разрушения углей с увеличением глубины разработки пластов//Физика и техника высоких давлений: Сб.научн.трудов/ДонФТИ АН УССР. – Киев: Наукова думка. – 1989, №32. – С. 49 – 52.

7. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Ульянова Е.В., Левченко В.И. Оценка фазового состояния и прочностных свойств скрепляющих составов горных пород//Физика и техника высоких давлений: Сб.научн.трудов/ДонФТИ АН УССР. – Киев: Наукова думка, 1989, №32. – С. 55 – 57.

8. Ревва В.Н., Ульянова Е.В., Алексеев А.Д. Влияние влажности пород на эффективность их упрочнения скрепляющими составами//Физика и техника высоких давлений: Сб.научных трудов/ДонФТИ АН УССР. – Киев: Наукова думка, 1990, №34. – С. 65 – 67.

9. Ревва В.Н., Стариков Г.П., Алексеев А.Д. Изменение механических свойств углей с увеличением глубины их залегания//Физика и техника высоких давлений: Республ.научн.ж-л/ДонФТИ АН УССР. – Киев: Наукова думка. – 1991, том 1, №3. – С. 43 – 46.

10. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Володарская Е.В., Юрченко В.М. Выход газа из твердого раствора в объем и на поверхность пор и трещин//Физика и техника высоких давлений: Научн. журнал/ДонФТИ АН Украины. – Харьков: ФТИНТ АН Украины. – 1992. – Т.2. – №4. – С. 83 – 92.

11. Алексеев А.Д., Александров В.Г., Ревва В.Н., Левшин А.А., Питаленко Е.И. Повышение устойчивости откаточных штреков путем обработки охранных угольных целиков водными растворами ПАВ//Физика и техника высоких давлений: научн.ж-л/ДонФТИ АН Украины. – Харьков: ФТИНТ АН Украины.- 1992. – Т.2. – №4. – С. 163 – 167.

12. Alexeev A.D., Revva V.N., Ryazantsev N.A., Sukharevskii B.J. Structural transformation under high-pressure failure of sandstone samples//Физика и техника высоких давлений: Научн.журнал/ДонФТИ АН Украины. – Харьков: ФТИНТ АН Украины. – 1993. – Т.3. – №2. – С. 11 – 15.

13. Космодамианский А.С., Левшин А.А., Кодак Н.И., Ревва В.Н. Пластическое состояние анизотропного слоя при его сжатии между жесткими плитами//Физика и техника высоких давлений. – 1995. – Т.7. – №1. – С. 49 – 56.

14. Алексеев А.Д., Кузнецов Э.Н., Ревва В.Н., Соколов К.И. Установка для испытания призматических образцов на трехосное сжатие//Физика и техника высоких давлений. – 1995. – Т.7. – №1. – С. 64 – 66.

15. Ревва В.Н. Экспериментальные исследования горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного нагружения//Горнометаллургические проблемы Донбасса: Сб. научн. тр./ ДНТУ – Донецк: ИНФО. – 1995. – №1. – С.46 – 58.

16. Снижко В.Д., Недодаев Н.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Борисенко Э.В. Отработка угольных пластов в зонах повышенного горного давления//Уголь Украины. – 1997. – №4. – С. 13 – 14.

17. Ревва В.Н. Влияние температуры на предельное состояние породного массива в окрестности горной выработки//Физика и техника высоких давлений. – 1997. – Т.7. – №2. – С. 133 – 136.

18. Ревва В.Н. Оценка устойчивости кровли в окрестности горных выработок//Физика и техника высоких давлений. – 1997. – Т.7. – №4. – С. 114 – 116.

19. Маевский В.С., Ревва В.Н., Борисенко Э.В., Брюханов А.М. Оценка устойчивости кровли в окрестности горной выработки с позиции механики разрушения//Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ОФТГП при ДонФТИ им.А.А.Галкина НАН Украины. – 1998. – Вып.1. – С. 10 – 15.

20. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Ермаков В.Н., Улицкий О.А. Изменение физико-механических свойств угля и вмещающих пород при водонасыщении//Известия Донецкого горного института. – 1999. – №1. – С. 65 – 68.

21. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В., Настуев Ю.М. Исследование разрушения угля и слабых аргиллитов в образцах с полостями применительно к горным выработкам и скважинам//Проблемы горного давления: Сб.научн.тр. ДНТУ. – Донецк. – 1999. – №3. – С. 5 – 12.

22. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В., Ермаков В.Н., Улицкий О.А. Влияние водонасыщения на физико-механические свойства структурно-нарушенных горных пород//Известия Донецкого горного института. – 1999. – №3. – С. 47 – 48.

23. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Фролов О.В., Розгон В.Д., Глушко Ю.П. Управление состоянием горного массива//Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. – 1999. – №2. – С. 86 – 96.

24. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Ульянова Е.В. Влияние давления на сорбционные свойства углей//Физика и техника высоких давлений. – 2001. – Т.11. – №1. – С. 9 – 11.

25. Ревва В.Н., Гладкая Е.В., Меляков А.Д., Литвинов А.В. Влияние мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных пластов на трещиностойкость вмещающих пород//Известия Донецкого горного института. – Донецк: ДНТУ – 2001. – №2. – С. 25-28.

26. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Самойленко З.А., Пушенко Е.О. Исследование структурного состояния горных пород в зонах тектонической нарушенности//Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. – 2001. – №3. – С. 50 – 56.

27. Алексеев А.Д., Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Чистоклетов В.И. Эффективная поверхностная энергия горных пород//Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ОФТГП ДонФТИ НАНУ. – 2001. – №4. – С. 14 – 18.

28. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Рязанцева Н.А., Рязанцев Н.А. Совершенствование способа прогноза выбросоопасности горных пород по эффективной поверхностной энергии с учетом структурно-фазовых переходов//Геотехническая,, механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. – 2001. – №29. – С.102 – 107.

29. Гладкая Е.В., Ревва В.Н., Рязанцева Н.А. Результаты шахтных испытаний усовершенствованного способа прогноза выбросоопасности песчаников//Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ИФГП НАНУ. – 2003. – №6. – С. 146 – 150.

30. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Фролов О.В. Влияние истории нагружения на прочностные свойства образцов горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия//Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецк: ДНТУ. – 2004. – №1. – С. 112 – 115.

31. Alexeev A.D., Revva V.N., Alysev N.A., Zhitlyonok D.M. True triaxial loading apparatus and its aplication to coal outburst prediction//International Journal of Coal Geology. – 2004. – N58. – P. 245 – 250.

32. Ревва В.Н. Прочностные и деформационные свойства упрочненных горных пород//Физико-технические проблемы горного производства. – 2004. – №7. – С. 158 – 166.

33. Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Поштук А.З. Физико-технические проблемы сжигания крутопадающих угольных пластов. Препринт/Донецк: ДонФТИ НАН Украины. – 1996. – 21 с.

34. Аксенов А.В., Романова В.В., Борисенко Э.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н. Управление изменением физико-механических свойств угля при его увлажнении водными растворами ПАВ//Проблемы отработки крутых пластов Донбасса. – Донецк: ЦБНТИ МУП Украины. – 1996. – С. 8 – 11.

35. Борисенко Э.В., Ревва В.Н., Питаленко Е.И. Оценка устойчивости кровли по эффективной поверхностной энергии//Проблемы отработки крутых пластов Донбасса. – Донецк: ЦБНТИ МУП Украины. – 1996. – С. 26 – 29.

36. Alexeev A.D., Revva V.N., Astrov-Shumilov C.K., Gryaduchii Y.V., Khamulyak V.G. Investigation of the mechanism of discrete media fracture with the example of rock failure//Proceedings of the first international forum on DDA. – Berkeley/California/USA. – 1996. – P. 480 – 487.

37. Alexeev A.D., Revva V.N., Gryaduchii Y.B., Khabanov A.N. Stady of the Mechanism of Destruction of Rock with a Discrete Inhomogeneity//Proceedings of the Second International Conference on DDA. - Kyoto/Japan. – 1997. – P. 448 – 450.

38. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Шевченко Л.В. Брюханов А.М. Влияние поверхностно-активных веществ на эффективную поверхностную энергию//Сб.докл. II Международной конференции «Механика разрушения материалов и конструкций». – Львов: Каменяр. – 1999. – Т.1. – С. 275 – 277.

39. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Поштук А.З, Настуев Ю.М. Влияние неравнокомпонентного объемного сжатия на разрушение горных пород//Сб.докл. II Международной конференции «Механика разрушения материалов и прочность конструкций». – Львов: Каменяр. – 1999. – Т.3. – Вып.2. – С. 193 – 197.

40. Способ определения степени упрочнения малоустойчивой кровли горной выработки: А.с. 1724881 СССР, МКИ Е21Д11/02.20/00/АД.Алексеев, В.Н.Ревва, Е.В.Ульянова, Н.А.Рязанцев (СССР). – №4692258/03; Заявлено 16.05.89; Опубл. 07.04.92, Бюл. №13. – 4 с.

41. Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород: А.с. 1747992 СССР, МКИ G01N3/00/А.Д.Алексеев, В.Н.Ревва, Н.А.Рязанцев, Г.П.Стариков (СССР). – №4797578/28; Заявлено 28.11.89; Опубл. 15.07.92, Бюл. №26. – 4 с.

42. Спосіб визначення викидонебезпечності вугільних пластів. Патент на винахід 19119, Україна, Е21F5/00/А.Д.Алєксєєв, Г.Н.Фейт, Г.П.Старіков, Г.Г.Смірнова, О.М. Маліннікова, В.М.Ревва. – №4851738/54; Заявлено 23.09.93; Опубл. 25.12.97, Бюл. №6. – 2 с.

Особистий внесок автора в роботах, що опубліковані у співавторстві:

- аналіз сучасного стану досліджень, постановка задач, розробка методик та проведення досліджень впливу нерівнокомпонентності напруженого стану на деформування та руйнування гірських порід при об’ємному навантаженні, аналіз досліджень [1, 12, 21, 23, 24, 30, 31, 36, 37, 39];

- постановка наукових задач, організація та проведення досліджень впливу водо- та газонасичення на деформування та руйнування гірських порід в умовах об’ємного нерівнокомпонентного стиснення, висновки [1, 8, 10, 13, 20, 22, 24, 34];

- постановка задач та установлення закономірностей деформування та руйнування гірських порід при їх фізико-хімічному зміцненні, висновки та рекомендації [7, 8, 40];

- формулювання мети та задач, експериментальні та теоретичні дослідження впливу глибини розробки та температурних змін в масиві на фізико-механічні властивості та граничний стан гірських порід при об’ємному стисненні, висновки [6, 9, 33];

- обгрунтування застосування тріщиностійкості гірських порід для прогнозу та управління станом гірничого масиву, результати теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз і висновки [1, 19, 25, 26-28, 35. 38, 41];

- удосконалення та розробка способів прогнозу та управління станом гірничого масиву, рекомендації з їх застосування [2-5, 11, 14, 16, 28, 29, 40, 42].