Горнотехнологические свойства горных пород

Реологические свойства горных пород.

Реологические свойства пород проявляются в явлениях ползучести и релаксации. Ползучесть – это проявление деформации в горной породе при постоянном напряжении. Релаксация – этопродолжение деформации при снижающемся напряжении. Ползучесть и релаксация связаны с переходом упругих дефор­маций в пластические, остаточные, но если пластичность пород характеризует их поведение при напряжениях, превышающих предел упругости, то ползучесть, представляющая собой мед­ленное нарастание пластических деформаций, проявляется и при напряжениях, меньших предела упругости, но при доста­точно длительном воздействии нагрузок. Явление, обратное ползучести, называют релаксацией напряжений. При релакса­ции упругие деформации в породе с течением времени посте­пенно переходят в пластические, но общая деформация во вре­мени не изменяется. При этом происходит падение напряжений.

Период релаксации зависит от началь­ного уровня напряжений и степени вязкости пород. Для проч­ных горных пород значения периода релаксации очень велики, оцениваются в сотни тысяч лет и даже более.

Прочность и упругость пород при длительном воздействии достаточно больших нагрузок понижаются, асимптотически приближаясь к некоторым предельным значениям — пределу длительной прочности.

В лабораторных условиях определяют условно-мгновенную прочность горных пород.

Наиболее широкое применение в механике горных пород имеют их такие свойства, как крепость, разрыхляемость, сцепляемость разрушенных пород.

Крепость – степень сопротивляемости пород механическим воздействиям. Характеризуется коэффициентом крепости К_кр, введенным проф. М. М. Протодьяконовым. При этом была разработана шкала, в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий. К первой из них отне­сены породы с высшей степенью крепости (К_кр = 20), к деся­той— наиболее слабые плывучие породы (К_кp = 0,3). Таким об­разом, пределы изменения коэффициента крепости — от 0,3 до 20.

Разрыхляемость – степень увеличения объема породы при ее разрыхлении. Характеризуется коэффициентом разрыхления К_р, представляющим собой от­ношение объема V_p породы после ее разрыхления при обруше­нии или добычи к объему V_M в массиве, т. е. до разрыхления:

К_р = V_р/V_м.

Наименьшую разрыхляемость при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (К_р= 1,15-т-1,20), наиболь­шую— хрупкие скальные породы (К_р= 1,30-1,40).

С течением времени разрыхленные породы уплотняются, однако и после уплотнения они не достигают первоначальной плотности в массиве, имевшей место до разрыхления. Мини­мальные значения коэффициента разрыхления пород после их уплотнения Кр = 1,01-1,15.

Сцепляемость разрыхленных пород – степень сопротивления обломков их смещению относительно друг друга. Характеризуется коэффициентом трения, который колеблется в очень широких пределах, зависящих от большого числа факторов, в частности от состава, строения, степени твердости пород, шероховатости тру­щихся поверхностей и составляет преимущественно 0,11—0,36. При больших давлениях могут иметь место пластические де­формации и разрушения отдельных выступов на соприкасаю­щихся поверхностях.

(Гранит – тальк)!

3 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРОД ГОРНОГО МАССИВА

3.1 Особенности пород, влияющие на свойства породного

массива

Даже если основные механические характеристики образцов пород, слагающие массив, близки между со­бой, свойства в целом массива и поведение пород вокруг выра­боток могут быть существенно различными.

Прочностные свойства породного массива существенно зависят от кон­кретных условий залегания геологических тел, степени неоднородности и анизотропии пород. Это определяется многими факторами:

- характером залегания породных тел с различными механическими свойствами;

- характером их слоистости,

- харак­тером пород, окружающих рассматриваемое породное тело, в ча­стности степенью их жесткости или пластичности;

- тектоническим строением различных участков породного массива;

- степенью выветрелости либо литифицированности пород;

- гидрогеологиче­скими условиями рассматриваемых участков массива и т. д.

Слоистость, напластование, перемежаемость пород с раз­личными механическими свойствами могут обусловливать меха­ническую анизотропность массива, несмотря на то что каждая из пород, слагающих толщу, является по данным испытаний образцов механически изотропной. Эта анизотропность связана с существенным различием механических свойств на контактах между слоями, пластами слагающих толщу пород, с различием свойств пород смежных слоев.

Одни и те же слои пород, будучи расположены во вмещаю­щих породах с различными свойствами, ведут себя при дефор­мировании совершенно различно. Так, угольные пласты ведут себя как жесткие тела в толще пластичных глинистых пород, но пластически деформируются, если расположены в толще более жестких пород. Каменная соль пластически деформируется в толще более жестких ангидритов, но ведет себя как жесткий пласт, если этот пласт расположен в толще более пластичных калийных солей. Слои несвязных сухих или мало обводненных песков в толще пластически деформирующихся глин ведут себя как сплошные жесткие тела, но будучи обнажены немедленно проявляют сыпучие свойства.

Большое различие в напряженное состояние пород и усло­вия их деформирования вносит залегание пород. Так, при одинаковых механических характеристиках пород по данным испытаний образцов их поведение вокруг выработок различно в зависимости от того, пройдены ли выработки в сво­довых частях складок или в их синклинальных частях и на крыльях. В первом случае обычно достигается максимальная устойчивость выработок.

Другими, осложняющими прочность пород особенности их состояния могут быть следующие факторы.

Породы верхних слоев толщи обычно бывают в большой степени изменены процессами выветривания. В результате вы­ветривания значительно нарушается монолитность породы, по­вышается степень ее трещиноватости, на контактах трещин часто присутствуют глинистые минералы — продукты выветри­вания, снижающие прочность и устойчивость участков массива в приповерхностной зоне интенсивного выветривания пород.

Породы нижних слоев осадочных толщ могут быть подверг­нуты процессам литификации (окаменения) за счет их уплот­нения, обезвоживания, цементации продуктами выветривания вышележащих слоев. В результате этих процессов породы од­ного вещественного состава и петрографического наименования на различных глубинах могут резко различаться по их свойст­вам как в образцах, так и в соответствующих участках мас­сива.

Большое влияние на механическое поведение участков мас­сива может оказывать влажность пород. При испытаниях пород в образцах можно учесть влияние на их свойства структурной, частично капиллярной и пленочной влажности, но нельзя опре­делить степень влияния обводненности пород, т. е. свободной влаги, мигрирующей по трещинам. Обводненность приводит к снижению прочности пород в массиве и их устойчивости в обнажениях. При деформировании пород тонкие пленки воды обволакивают поверхности вновь образуемых трещин, создавая расклинивающий эффект и способствуя дальнейшему развитию трещин.

При значительном росте глубины разработки существенное влияние на свойства участков массива пород могут оказывать увеличение температуры пород и повышение их растворимости как вследствие общего роста напряжений, так и ввиду роста физико-химической активности подземных минерализован­ных вод.

Изменчивые формы и невыдержанное чередование пород с различными механическими и плотностными свойствами обу­словливают неравномерность распределения напряжений в мас­сиве, резко усиливающуюся при проведении горных вырабо­ток.

3.2 Лабораторные методы изучения свойств горных пород

3.2.1 Методы определения плотностных свойств

Наибольший интерес в механике горных пород из плотностных свойств представляют объемный вес, удельный вес и пористость. В лабораторных условиях на образцах пород обычно определяют объемный вес у и удельный вес у₀.

Для экспериментального определения объемного веса по­роды требуется знать вес и объем образца. Если определения ведут на образцах правильной геометрической формы, напри­мер на стандартных цилиндрических образцах, то вес устанав­ливают путем взвешивания на лабораторных весах, а объем — путем измерения линейных размеров. В случае испытания об­разцов неправильной геометрической формы для определения объемного веса используют метод гидростатического взвеши­вания.

Определение удельного веса y_о может производиться несколькими методами, среди которых наиболее универсальным и точным является пикнометрический метод. Определения ведут в пикнометрах — мерных колбах емкостью 25—30 см³, куда помещают кусочки породы, измельченные до крупности 0,3—0,5 мм, с тем чтобы вскрыть все изолированные поры. В дальнейшем, сопоставляя вес сухого пикнометра G₁ , вес пикнометра с породой G₂, вес пикнометра с дистиллирован­ной водой и навеской породы G₃, вес пикнометра при темпера­туре 20 °С и дистиллированной водой G₄, вычисляют удельный вес y_о породы по формуле:

y₀ =,

где ρ_в ⁽²⁰⁾ – плотность воды при температуре 20⁰ С.

Затем, если требуется, рассчитывают плотность (объемную массу) ρ и удельную массу ρ_о через зависимости:

ρ = y_о / g и ρ_о = y / g.

Общую пористость также определяют расчетным путем, используя полученные экспериментально значения удельного у₀и объемного веса у.

П = [(y₀ - y^')/ y₀ ] · 100.

В последние годы для лабораторного определения плотно­сти (и объемного веса) пород широко используют гамма-метод (в модификации узкого пучка). При этом испытуемый обра­зец породы помещают между источником радиоактивного гамма-излучения и детектором (рис. 14). Зная гамма-активность источника, расстояние r между источником и детектором и толщину d образца и регистрируя интенсивность гамма-излу­чения, прошедшего через образец породы, определяют плот­ность р породы. Гамма-метод определения плотности отлича­ется простотой и высокой производительностью измерений с применением несложной серийной аппаратуры и обеспечивает точность 1-3%.

Рис. 14. Лабораторная установка для измерения плотности горных пород гамма-методом.

а — схема установки; б — общий вид. /—источник гамма-излучения; 2 — детек­тор; 3 — образец породы; 4 — прибор РПР-1 для регистрации гамма-излучения.

3.2.2 Методы определения упругих свойств горных пород

Методы определения упругих свойств горных пород можно подразделить на статические и динамические.

Статические методы основаны на измерении упругих дефор­маций образцов исследуемых пород под нагрузкой. Они разли­чаются по виду применяемых тензометров. Для измерения про­дольных и поперечных деформаций образцов при их нагружении применяют проволочные тензометры сопротивления либо механические индикаторы часового типа.

Определение упругих свойств статическим методом произ­водят на стандартных цилиндрических образцах диаметром 40—43 мм. При этом отношение высоты к диаметру образцов должно быть не менее 2, чтобы обеспечивалось равномерное одноосное напряженное состояние в средней части образца. Торцы образцов шлифуют. Нагружение производят под прес­сом. Измерение деформаций образцов под нагрузкой обычно производят с помощью проволочных электротензометров сопро­тивления, наклеиваемых на образцы. Тензометры располагают в средней части образца, на расстоянии (0,5-1) d от его тор­цов (d — диаметр образца). Тензометры для измерения про­дольных деформаций располагают в направлении нагружения образца, для измерения поперечных — перпендикулярно к нему (рис. 15). Для контроля однородности напряженного состояния образца и статистического усреднения показаний тензометров последние дублируют, т. е. наклеивают их не менее чем по двум сторонам образца.

Рис. 15. Образцы горных пород с наклеенными тензометрами

для определе­ния упругих свойств.

Образец устанавливают между плитами пресса, плавно нагружают до значения, равного приблизительно 0.1 [σ_сж], и производят отсчеты деформаций по всем тензометрам. При расхождении показаний одноименных тензометров до 15-20 % образец можно считать пригодным для дальнейших испытаний. Большее расхождение свидетельствует о недопустимо неоднородном напряженном состоянии образца или о некачественной наклейке тензометров.

Продолжая испытания, производят двукратное нагружение и разгрузку образца, сначала до напряжений, равных 0.3 [σ_сж], а вторично до 0.6[σ_сж]. Вслед за этим образец нагружают вплоть до разрушения. В процессе циклов нагружения и разгрузки с помощью автоматической записывающей аппаратуры ведут либо непрерывную запись деформаций, либо фиксируют деформации через определенные ступени нагружения и разгрузки. В последнем случае интервалы отсчетов устанавливают в зависимости от характера деформирования испытуемой породы и требуемой точности построения графиков «напряжения – деформации».

Современные динамические методы определения упругих свойств основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот. Они разработаны значительно позднее, чем статические, но полу­чают все большее распространение благодаря простоте, малой трудоемкости измерений и появлению удобных в работе и на­дежных серийных измерительных приборов. По принципам из­мерений можно выделить два основных динамических метода: резонансный и импульсный.

Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический ме­тод, в основе которого лежит пропускание через образец иссле­дуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых ко­лебаний, по значениям скоростей распространения которых рас­считывают упругие характеристики.

Упругие характеристики могут быть вычислены по измеренным значениям скоростей распространения различных видов волн.

Реологические свойства горных пород (ползучесть и релаксацию) определяют путем испытания образцов на поперечный изгиб (балочек) и одноосное сжатие (цилиндров), подвергая образцы воздействию в течение нескольких месяцев.

3.2.3 Методы определения прочности горных пород

Наибольшее использование в задачах механики гор­ных пород имеют характеристики прочности при одноосном сжатии [σ_сж],при растяжении [σ_Р] и при срезе (сдвиге) [σ_ср].

В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2—84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на цилиндрических образцах диаметром 40—50 мм с отношением высоты к диа­метру, равным 0,9—1,1. Допускается также проводить испыта­ния на кубических образцах со стороной размером 45±5 мм. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (во­гнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Торцовые поверхности должны быть параллельны друг другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образую­щим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Испытания проводят на прессе (рис. 16). Для строго цент­рированного нагружения образца между ним и одной из плит пресса помещают шариковое центрирующее устройство 3. Нагружение образца производят с постоянной скоростью в преде­лах 0.1-3 МПа, повышая нагрузку вплоть до разрушения образца и фиксируя значение разрушающей нагрузки.

Допустимы определения и на образцах с отношением высоты h к диаметру d, отличным от единицы.

Цилиндрические образцы пород стандартных размеров мо­гут быть использованы и для определения предела прочности при растяжении [σ_р]. Определение производят методом диаме­трального сжатия (рис. 17), в результате чего в образцах воз­никают растягивающие напряжения.

Результаты испытаний этим методом, как показывает опыт, отличаются высокой стабильностью.

Прочность на срез (сдвиг) определяют в специальных стальных матрицах (рис. 18). Образец на­ходится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по се­чению испытуемого образца. Испытания проводят на цилинд­рических образцах указанных выше стандартных размеров. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложен­ном в нее образце должен иметь постоянную ширину не более 2 мм.

Для определения прочности на срез крепких пород испыта­ния проводят в матрицах с углами среза α= 45 и α= 60°. Об­разцы слабых пород испытывают, кроме того, в матрице с уг­лом среза α = 30^о.

Рис. 16. Определение прочности горных пород при одноосном сжатии. 1 — образец; 2 — каленые прокладки; 3 — центрирующее устройство; 4 — плиты пресса.

Рис. 17. Определение прочности пород при рас­тяжении методом диаметрального сжатия.

/ — испытуемый образец породы; 2 — плиты пресса.

Нормальное давление на плоскость среза σи предел проч­ности при срезе [τ] вычисляют по формулам:

σ = Р sinα / dh; [τ] = Р cosα / dh,

где Р – вертикальная максимальная разрушающая сила, α – угол между плоскостью среза и направлением действия силы Р, d,h – диаметр и высота образца.

Рис. 18. Определение прочности пород на срез.

3.2.4 Построение паспортов прочности горных пород

По результатам испытаний образцов составляют пас­порта прочности горных пород, которые позволяют оценить ус­ловия разрушения пород в различных напряженных состояниях.

Паспорт (диаграмма) прочности представляет собой график функциональной зависимости между касательными и нормаль­ными напряжениями, при которых происходит разрушение по­роды.

Построение паспортов прочности может быть осуществлено различными способами. Наиболее простой из них заключается в следующем. На горизонтальной оси (рис. 19, а) откладывают от нуля влево значение предела прочности на одноосное растяжение [σ_р], а вправо — значение предела прочности на сжа­тие [σ_сж]. На этих отрезках, как на диаметре, строят окружно­сти (так называемые круги напряжений Мора*) и проводят общую касательную к ним, которая и представляет собой пас­порт прочности. Отрезок, отсекаемый касательной на оси ор­динат т, характеризует сцепление [τ_о] образца породы, а угол ее наклона — угол внутреннего трения φ. Паспорт прочности в виде прямой линии достаточно точно отражает свойства хрупких пород, особенно в условиях действия невысоких на­пряжений.

Паспорт прочности может быть также построен по резуль­татам испытаний пород в условиях среза со сжатием в специ­альных матрицах. Отличительная особен­ность этого способа—более полное отражение свойств пород в объемном напряженном состоянии. Однако характер разрушения пород в области растяжения при таких испытаниях не прослеживают.

Рис. 19. Построение паспортов прочности по результатам экспе­риментальных определений [σ_сж] и [σ_р] (а), испытаний пород в ус­ловиях среза со сжатием (б) и испытаний в объемном напряжен­ном состоянии (в).

Для построения паспорта прочности по результатам испы­таний на срез со сжатием из начала координат (рис. 19,6) откладывают радиусы-векторы, направленные под углами среза α₁, α₂ и α₃ к оси абсцисс σи имеющие длину, равную усредненным экспериментальным значениям полных разрушаю­щих напряжений среза. Концы радиусов-векторов соединяют отрезками прямых линий. Так же как и ранее, каждый отрезок паспорта может быть охарактеризован сцеплением [τ_о]г и углом внутреннего трения φ.

Наиболее точно и полно отражает поведение горных пород паспорт прочности, получаемый по результатам испытаний по­род в условиях неравномерного объемного напряженного со­стояния. Пример подобного паспорта прочности приведен на рис. 19,в.

3.2.5 Изучение механических свойств горных пород в условиях объемного напряженного состояния

Горные породы в массиве, в условиях естественного за­легания, находятся в объемном напряженном состоянии. По­этому для наиболее полного изучения их механических свойств проводят испытания на специальных лабораторных установ­ках. Наиболее известны установки типа Т. Кармана, в ко­торых усилием пресса создают вертикальное давление на об­разец, а боковое давление по периметру образца создают гид­равлическим путем с помощью гидромультипликатора (рис. 20- а). Для передачи бокового давления на образец при­меняют глицерин или какую-либо другую жидкость. Непосред­ственный контакт жидкости с образцом породы предотвра­щают, запаивая образец в гильзу из медной или латунной фольги. Подобные установки, называемые стабилометрами, по­зволяют создавать в испытываемом образце необходимые напряженные со­стояния.

При этом напряжения σ₁ и σ₂ можно изменять произ­вольно и независимо друг от друга вплоть до таких значений, при которых происходит разрушение образца.

На рис. 20- б приведена схема конструкции одного из стабилометров. Он состоит из прочного стального цилиндра 1 с герметизированной по­лостью, в которую помещают образец 2. Образец подвергают гидростати­ческому давлению окружающей его жидкости, нагнетаемой в цилиндр насо­сом 10через штуцер 5.

Рис. 20. Испытание образцов пород в объемном напряженном состоянии.

А – схема установки типа Т. Кармана; б – конструкция стабилометра КП-3.

1 – корпус; 2 – образец породы; 3 – плунжер осевого сжатия; 4 – плунжер гидромультипликатора; 5 – штуцер боковой нагрузки; 6 – манометры для определения осевой и боковой нагрузок; 7 – шаровые шарниры; 8 – поршень осевого сжатия; 9 – штуцер осевой нагрузки;10 – насос; 11 – редукторы.

Давление жидкости на боковую поверхность образца обусловливает главные напряжения σ₂=σ_з. Для создания осевого давления (напряжение σ₁ ) образец сжимают по его торцам между верхней крышкой цилиндра и плунжером 3, соосным с образцом и свободно проходящим через нижнюю крышку цилиндра. Отсчет нагрузок производят по манометрам 6.

Режим приложения нагрузок слагается из предварительного всестороннего сжатия до заданных значений давления и последующего приложения возрастающей осевой сжимающей нагрузки при неизменном значении боковой.

Подвергая образец породы одновременно с механическим нагружением нагреву с помощью специальных устройств, монтируемых в стабилометр, можно определять механические свойства пород при высоких всесторонних давлениях и температурах, моделируя тем самым условия нахождения пород на больших глубинах.

3.2.6 Испытания пород при динамических нагрузках

В реальных условиях горные породы подвергаются раз­личным воздействиям нагрузок, при этом режимы нагружения могут быть самыми разнообразными — от статического до им­пульсного.

В принципе любые процессы нагружения являются динами­ческими, так как протекают в пространстве и во времени, од­нако степень их динамичности различна, и в зависимости от того, насколько велик вклад сил инерции в общем балансе сил, действующих на образец или деформирующийся объем, тот или иной режим нагружения относят к категории статических или динамических.

По-видимому, наиболее общей характеристикой режима на­гружения является скорость относительной деформации.

Различные технологические процессы в массивах горных по­род можно соотнести с определенными скоростями деформации. Так, скорость деформации пород в выработках при длитель­ных статических нагрузках небольшая, при внезапных обруше­ниях пород кровли - больше, а при взрывах – большая (е > 1·10²· с^-1). В соответствии с этим к статическому спо­собу нагружения могут быть отнесены скорости деформации е<10^-3· с^-1, при скоростях деформирования 10^-3<е<10² про­цесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования е> 10² с^-1 характеризуют динамиче­ские режимы нагружения.

Поскольку в предыдущих параграфах данной главы описы­вались методы определения характеристик пород, соответ­ствующие статическим режимам нагружения, остановимся на способах и результатах испытаний пород в условиях квазиста­тического и динамического нагружения. При этом основной ин­терес представляют закономерности изменения деформационно-прочностных характеристик с увеличением скорости приложе­ния нагрузок и возрастанием скорости деформирования пород.

В зависимости от применяемых нагрузочных устройств ис­пытания проводятся в различных режимах приложения нагру­зок. В диапазоне статических скоростей (е<10 ³· с^-4) образец нагружается стационарной универсальной испытательной маши­ной (прессом) с усилием, необходимым для разрушения испы­туемой породы. В диапазоне динамических скоростей дефор­маций применяют ударный способ нагружения с помощью вертикальных или горизонтальных механических или пневматических копров, пороховых или пневматических пушек, уст­ройств взрывного типа, электрогидравлического удара и др. Образцы разрушаются при однократном нагружении.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с уве­личением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают. Однако для прочност­ных характеристик в отличие от деформационных (модуля упругости Е ) изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования ε= (10^-2 ÷ 10°) с^-1 коэффи­циент динамичности К = σ^д/σ^ст, характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4—1,2, а далее резко возрастает до 6—8. Значе­ния коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0,2 ÷ 0,4 до К = 1,6 ÷ 1,8.

3.3 Определение свойств горных пород в местах

их естественного залегания

В случаях, когда возможности отбора образцов горных пород для испытаний отсутствуют или ограниченны (например, при низком проценте выхода керна из буровых скважин), воз­никает задача определения свойств пород непосредственно в местах их естественного залегания.

Определение свойств пород в массиве имеет важное значе­ние также и в связи с проявлением упомянутого выше масштаб­ного эффекта. Иногда, особенно при высокой степени струк­турной нарушенности массива, например вследствие развитой естественной трещиноватости, масштабный эффект столь зна­чителен, что показатели упругости и прочности пород в мас­сиве по сравнению с одноименными показателями в образцах снижаются на один, а в отдельных случаях даже на два по­рядка.

3.3.1 Методы определения плотностных свойств горных пород

Плотность пород в массиве с достаточной степенью точно­сти (с погрешностью 1—3%) можно определить с помощью гамма-метода, основанного на эффекте различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения в средах с различной плотностью.

Сущность гамма-метода измерения плотности пород в мас­сиве состоит в том, что в изучаемом участке массива пород бурят на расстоянии 20—70 см друг от друга параллельные шпуры или скважины. В одном из шпуров помещают закрытый источник гамма-излучения (обычно радиоактивный изотоп ⁶⁰Со, ^!37Cs или ²²⁶Ra), имеющий активность 0,5—2,0 мг-экв ра­дия. Работа с источниками такой малой активности вполне безопасна и не требует особых мер защиты. Во втором парал­лельном шпуре помещают регистрирующий зонд с детектором (счетчиком гамма-квантов). Перемещая зонды с источником и детектором вдоль скважин, фиксируют интенсивность гамма-излучения, прошедшего через толщу горной породы между скважинами, и по тарировочным графикам или номограммам устанавливают плотность пород на исследуемых участках.

Метод рассеянного гамма-излучения предусматривает определение плотности пород в одной сква­жине (а не в двух параллельных). Измерения этим методом ведут с помощью скважинных зондов, в которых радиоактив­ный источник и детектор разделены экраном, поглощающим прямое гамма-излучение. Поэтому регистрируют только излу­чение, рассеянное в окружающей зонд горной породе. Этот ме­тод применяют для определения плотности пород в глубоких скважинах. Он носит название плотностного каротажа.

3.3.2 Методы определения механических свойств горных пород

в естественном залегании

Методы определения механических свойств пород в натур­ных условиях можно подразделить на три основные группы. К первой группе относят методы, основанные на точечном (со­средоточенном) нагружении пород в массиве различными пор­тативными пробниками (инденторами). Методы второй группы основаны на искусственном нагружении некоторых участков массива пород и фиксации деформаций при соответствующих нагрузках или же регистрации усилий, при которых происходит разрушение нагружаемых участков массива. К третьей группе относят методы, связанные с опытными горными работами, приводящими к деформациям или разрушениям довольно круп­ных частей массива.

Методы «точечных» испытаний пробниками получили развитие главным образом в связи с задачами оценки свойств пород, пересекаемых при бурении разведочных, нефтя­ных и газовых скважин. Они основаны, как правило, на стати­ческом или динамическом внедрении индентора в массив и оп­ределении усилий внедрения на заданную глубину либо глу­бины и площади внедрения индентора при дозированном усилии внедрения.

Необходимо подчеркнуть, что при использовании этих мето­дов в глубоких скважинах на определяемые показатели оказы­вает существенное влияние уровень естественной напряженно­сти горных пород.

Методы искусственного нагружени я участ­к о в массива позволяют учесть масштабный эффект при условии, что размеры нагружаемых участков массива не ме­нее чем в 10 раз превышают характерные размеры структур­ной нарушенности массива. Обычная схема таких испытаний состоит в том, что испытуемый породный участок оконтуривают с нескольких сторон, сохраняя связь с остальным масси­вом лишь по одной или двум плоскостям. Затем с помощью гидравлических домкратов или иных нагрузочных устройств оконтуренный участок нагружают, фиксируя нагрузки и соот­ветствующие им деформации пород и доводя усилия вплоть до разрушения нагружаемого участка массива. Одна из схем та­кого нагружения приведена на рис. 22. Применяют также схему нагружения двоякозащемленных или консольных балок, оконтуриваемых с помощью врубовой машины в слабых поро­дах или с помощью буровых скважин и дисковых алмазных щелеобразователей в крепких породах.

Среди методов этой группы заслуживают также внимания методы определения упругих и пластических характеристик участков массива, основанные на тензометрических дистанци­онных измерениях радиальных смещений пород в стенках буро­вых скважин при распираний скважин с помощью специаль­ного гидравлического давильного устройства — прессиометра. Последний представляет собой цилиндрический корпус, окруженный эластичной (резиновой) оболочкой, под которую при помещении прессиометра в скважину нагнетают жидкость или газ под давлением до нескольких сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр. Внутри цилиндрического корпуса раз­мещается тензометрический блок, снабженный щупами, концы которых упираются в стенки скважины. Тензоблок во время измерения не имеет механической связи с корпусом прессиометра и фиксирует с точностью

до долей микрометра смеще­ния стенок скважины в процессе нагружения. Определение упругих параметров (модуля деформируемости пород) произ­водят по измеренным значениям смещения при заданных на­грузках. Измерения отличаются малой трудоемкостью и отно­сительной простотой.

Для определения упругих характеристик пород в массиве широко используют динамические методы, в частности методы измерения скоростей упругих колебаний. Скорости уп­ругих волн в массиве могут быть измерены различными спо­собами, из которых наиболее распространены следующие:

а) ультразвуковой способ с использованием аппаратуры
типа УКБ, УК-ЮП, УК-15 и т. д.;

б) импульсный метод с использованием нагрузок единич­-
ного удара или взрыва для измерения времени распростране­
ния воли между заданными точками в массиве;

в) сейсмический метод.

Ультразвуковой метод может быть использован для опреде­ления скоростей упругих волн на небольших базах (0,3—1,5 м). Сущность метода заключается в том, что в массиве пород пробуривают шпуры или скважины и затем, помещая в одни из них приемник, а в другие излучатель, определяют время про­хождения импульсов по прозвучиваемому участку массива. Зная время прохождения импульса и измеряя расстояние между шпурами, вычисляют скорость упругих волн. Для изме­рений применяют комплект аппаратуры со специальными дат­чиками. Плотный контакт излучателя и приемника с породой обеспечивается механическим или (в последнее время) пневма­тическим способами. Для повышения качества акустического контакта применяют воду или масло, которые заливают в шпуры, либо используют прокладки из вакуумной резины. На рис. 23 показаны комплект ультразвуковой аппаратуры и конструкция датчиков, разработанных в Горном институте К.Ф АН СССР.

При импульсном методе в качестве возбудителя колебаний обычно используют механический удар или взрыв, а время про­бега упругих волн измеряют какими-либо счетчиками времени. В качестве приемников применяют пьезодатчики, электриче­ские импульсы от которых поступают на многоканальные ос­циллографы или могут быть записаны на магнитофонную ленту.

Сейсмический метод находит применение при геофизических исследованиях больших участков массива горных пород (сотни метров) и позволяет кроме определения скоростей упругих волн также анализировать затухание колебаний по мере про­хождения волной разных баз.

Методы определения механических свойств пород в массиве на основе опытных горных р а ­б о т связаны с применением «обратного расчета». Сущность этих методов состоит в том, что с помощью горных работ ис­следуемый элемент массива (участок кровли выработки, целик или группа целиков и т. п.) подвергают деформированию, обычно вплоть до разрушения. В процессе опытных горных работ фиксируют происходящие при этом смещения, деформа­ции, изменения напряжений в изучаемом участ ке массива и со­ответствующие им геометрические параметры целиков, обнаже­ний кровли и т. п. Если прямые задачи механики горных по­род состоят в том, чтобы на основе известных механических свойств предрассчитать возможные смещения, деформации и напряжения в участках массива при различных геометрических параметрах горных разработок, то в данном случае ставят об­ратную задачу: определить механические свойства пород в мас­сиве - на основе фиксируемых геометрических параметров и на­блюдаемых смещений, деформаций и изменения напряжений.

В качестве одного из примеров рассматриваемой группы методов можно назвать опытное распирание гидростатическим давлением жидкости или газа стенок камеры или тоннеля и измерение при этом смещений с расчетом упругих характеристик пород в массиве. По своей сущности этот метод аналогичен методу прессиометрнческих измерений и отличается от послед­него значительно большими размерами испытуемого участка массива. При­меняют также опытное нагружение, вплоть до раздавливания, одного или группы междукамерных целиков при выемке смежных с ними целиков; опыт­ную подработку кровли выработок с установлением деформаций ее изгиба, определением предела прочности на изгиб и расчетом показателей деформа­ционных характеристик пород кровли.

Применение маркшейдерской или стереофотограмметрической съемки площадей обрушения пород под землей или обру­шений налегающей толщи на земной поверхности, обрушений и оползаний бортов карьеров позволяет оценивать разрушающие напряжения, а по ним находить прочностные характеристики массива пород, определять характеристики сопротивления по­род сдвигу в массиве, устанавливать значения коэффициента структурного ослабления сцепления. По измерениям деформа­ций контура подземной выработки во времени, используя ма­тематический аппарат наследственной теории ползучести, можно определить реологические показатели массива пород.

Следует подчеркнуть, что методы определения механических свойств на основе опытных горных работ дороги, отличаются высокой трудоемкостью и сложностью организации работ. По­этому их применяют сравнительно редко.

Поскольку возможное число таких опытов крайне ограниченно, особое внимание тре­буется обращать на представительность участков опытных гор­ных работ по горно-геологическим условиям.

4 СТРОЕНИЕ ПОРОДНОГО МАССИВА

4.1Структурные неоднородности породных массивов

4.1.1 Виды структурных неоднородностей

Характерным свойством горных пород является высокая степень их неоднородности, которая обусловлена структурой, минеральным составом, количеством слагающих породу минералов, текстурой. Более высокая степень неоднородности наблюдается в масси­вах, сложенных перемежающимися различными горными породами. Кроме того, в массивах пород часто встречаются разрывные нарушения и повсеместно развита естественная трещиноватость. Наконец, в окрестности горных выработок массив интенсивно расчленя­ется искусственными (технологическими) трещинами, появле­ние которых связано с технологическими процессами ведения горных работ, например, со взрыванием и т. д.

Дата добавления: 2014-12-07