книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

ний указанным методом позволяет для большого числа случаев ре­ комендовать более грубый, но значительно упрощенный метод испы­ тания показателей упругости по параметрам распространения меха­ нических (ультразвуковых) колебаний в породных образцах. При­ менение этого метода допустимо лишь для пород непористых и не­ трещиноватых, так как для последних ошибки (систематические) определения слишком велики.

Измерение распространения колебаний в образцах диаметром не менее 40 мм и длиной 60—150 мм с использованием сейсмоско­ пов (например, типа ИПА) [44] позволяет рассчитать коэффици­ ент Пуассона и модуль упругости породы по измеренным величинам

60

скоростей продольных колебаний образца Vp и колебаний, рас­ пространяющихся по его поверхности VR .

Коэффициент Пуассона определяется из зависимости

VR _ W + 1,l2f*1/ g(1-2 Juy

(обычно вместо вычислений используется номограмма Л. Кнопова, графически представляющая эту зависимость).

Модуль упругости определяется из выражения

где Р — плотность горной породы, г!смъ.

Пренебрегая сравнительно небольшой изменчивостью коэффи­ циента Пуассона, для грубого определения модуля упругости ока­ зывается достаточно измерять лишь скорости распространения в образце продольных колебаний по упрощенной методике ДонУГИ [45]. При этом модуль упругости рассчитывается по формуле

Определение показателей пластичности и ползучести. Пласти­ ческие свойства горных пород имеют значение в вопросах борьбы с пучением, деформирования междукамерных целиков, давления на крепь капитальных выработок, определения степени удароопасности угольных пластов идр.

Для определения показателей ползучести и пластичности чаще всего образцы горных пород подвергаются деформированию дли­ тельно действующими неизменными во времени нагрузками, в резуль­ тате чего развивается процесс ползучести. Для определения пока­ зателей, характеризующих зависимость деформаций ползучести не только от длительности действия нагрузки, но и от ее величины, испытаниям ползучести подвергается несколько (5—10) одинаковых образцов испытываемой породы при соответственно различных ве­ личинах нагрузки. Вид напряженного состояния образцов может применяться различным: одноосное сжатие, изгиб, сдвиг и др. [10, 11, 14]. Надежные результаты, вследствие наилучшего обеспече­ ния однородности напряженного состояния, получаются при испы­ таниях ползучести от одноосно сжимающих нагрузок, приложен­ ных по схеме, описанной выше в методике испытаний прочности и деформируемости при одноосном сжатии. Обеспечение длительного

61

действия и неизменности во времени нагрузок достигается приме­ нением специальных нагрузочных устройств с источниками нагрузки

грузовыми, пружинными или с использованием давления сжатого

лЛ

газа или жидкости.

Непосредственными результатами испытания породы является семейство кривых развития во времени деформаций образцов раз­ личающихся величиной нагрузки. В случае одноосного сжатия из­ меряемыми являются продольные относительные деформациии, в случае изгиба — максимальные по длине образцов стрелы прогиба,

62

чин необратимых деформаций образца к величинам общих дефор­ маций, илиотносить пластические деформации, получаемые при нормированных условиях испытания, к соответствующим условно принятым показателям пластических свойств. Например, для упро­ щения испытаний используются различные (плоские, сферические) инденторы, относительный показатель пластичности оценивается по соотношению остаточных деформаций вдавливания индентора к уп­ ругим при нормированных условиях нагружения, а относительный показатель текучести — по развитию деформации вдавливания нор­ мированной нагрузкой за нормировочный отрезок времени (рис. 6).

Учет влияния анизотропии породы и масштабного эффекта ее структурной нарушенности. В связи с недостаточной изученностью масштабного эффекта и несогласованностью результатов его изуче­ ния различными исследователями, настоящая рекомендация его учета является временной.

При учете прочностных свойств структурно-нарушенных, но квазиизотропных пород по результатам лабораторных испытаний их образцов допустимо применение поправки — так называемого коэф­ фициента структурного ослабления [65]. Величина этого коэффи­ циента зависит от интенсивности трещиноватости массива W и от соотношения размера области массива Нм, прочность которой оце­ нивается, и размера образца Н0& по которым она определяется при испытании. При испытаниях монолитных (не содержащих струк­

где а — коэффициент, зависящий от условий на контакте слоев [65]. Для оценки механических свойств анизотропных пород требуется проведение испытаний образцов, соответственно различно ориентиро­ ванных относительно направлений анизотропии сложения породы. При этом, наряду с предельными напряженными состояниями разрушающими породу по поверхностям, не совпадающим с поверх­ ностями ослаблений, определяются и специальные предельные со­ стояния по поверхностям ослаблений (слоистости, кливажных и иных систем трещин). По этим данным, а также по данным за­ меренных углов пространственной ориентировки ослаблений уста­ навливаются дополнительные предельные кривые паспорта проч­

ности [21, 22].

63

Упругие показатели анизотропной породы определяются в соот­ ветствии с методическими требованиями [24].

§ 9. Методы натурных испытаний механических свойств пород в массиве

Применение различных натурных методов механических испыта­ ний горных пород [41, 30] имеет целью либо увеличение предста­ вительности испытаний структурно-нарушенных пород, по сравнению с лабораторными методами, за счет уменьшения влияния масштаб­ ного эффекта и обеспечения большей сохранности породы, либо зна­ чительное упрощение испытаний за счет исключения работ по отбору и доставке породных проб, изготовлению из них образцов и отно­ сительно сложной процедуры их лабораторных испытаний.

В первом случае высокая представительность испытаний дости­ гается ценой значительного осложнения организации и увеличения трудоемкости испытаний. Поэтому такие натурные испытания долж­ ны практиковаться в особо ответственных случаях комплексных исследований горного давления.

Во втором случае, напротив, высокая доступность испытаний достигается ценой существенной утраты их представительности, а часто и точности. Поэтому такие натурные испытания должны практиковаться в качестве массовых опробований пород для ориен­ тировочных общих оценок горногеомеханической обстановки и, в частности, при разведочных работах (табл. 3).

Опытные горные работы. Наиболее представительным способом определения механических свойств пород применительно к какойлибо задаче исследования горного давления, является специальный эксперимент в горной выработке, воссоздающий в ярко выраженной мере изучаемое проявление горного давления в ней. С помощью соответствующим образом размещенной измерительной аппаратуры должен быть выявлен механизм изучаемого проявления настолько детально, насколько это достаточно для установления аналитическо­ го выражения этого механизма и вычисления (методом «обратного расчета») по измеренным смещениям, деформациям, напряжениям и т. п., параметров полученного аналитического выражения, харак­ теризующих механические свойства среды.

Для проведения таких экспериментов необходима специальная организация горных работ (по особой контролируемой программе). Следует отметить, что опытные горные работы являются не только и; не столько методом определения механических свойств гор­ ных: пород, сколько методом собственно исследования механизма горного давления и получения прямых практических рекомендаций по установлению параметров горных работ, обеспечивающих эф­ фективное использование этого механизма.

64

Из разработанных и применявшихся методов опытных горных ра­ бот рекомендуются:

1. Опытная подработка потолочины камеры с установлением ее прочности на изгиб с целью рекомендации устойчивых пролетов [48].

2.Опытное раздавливание целика налегающими породами путем искусственного разрушения смежных целиков с целью установления оптимальных устойчивых размеров целиков.

3.Съемка формы обрушений и оползней бортов карьеров с уста­ новлением показателей объемной прочности массива [65].

4.Измерение изменяющихся во времени пластических дефор­ маций контура сечения горной выработки с обратным расчетом реологических показателей массива при помощи расчетного аппа­ рата наследственной теории упругости [53, 26] и прямой проверкой применимости этой теории.

Испытания искусственным нагружением крупных частей массива частично отделенных от последнего. Представительность этих испы­ таний требует, в первую очередь, чтобы размеры нагружаемых частей структурно-нарушенного массива были значительно (не ме­ нее чем в 8—10 раз) больше размеров элементов его структуры). При меньших соотношениях масштабный эффект должен учиты­ ваться коэффициентом структурного ослабления, как это показано выше; однако при существенном проявлении масштабного эффекта данные виды испытаний мало выигрывают по сравнению с лабо­ раторными.

Указанные размеры нагружаемых частей массива требуют слож­ ной техники частичного отделения от массива-оконтуривания, без дополнительного нарушения структуры породы применяемой тех­ никой оконтуривания. Поэтому к этой технике предъявляются вы­ сокие требования, существенно усложняющие и затрудняющие ис­ пытания, которые рекомендуются лишь в ответственных случаях ис­ следований горного давления.

Значительные затруднения при таких испытаниях обуславлива­ ются также техникой нагружения мощными нагрузочными устрой­ ствами с обеспечением необходимых контактных условий и центри­ рования нагрузок.

Из разработанных методов этой группы рекомендуются следую­ щие:

1. Определение прочности и деформируемости четырехугольных призм, оконтуренных с 5 или с 4 сторон при одноосном сжатии спе­ циальными гидравлическими домкратами [34, 42, 43] (рис. 7). Этот метод должен использоваться при определении несущей способности целиков угля и пород крепостью не более 500 кг/см2. Для пород более крепких метод пока не дал положительных результатов, од­ нако целесообразно его доработать применительно к этим условиям.

65

2. Определение показателей объемной прочности при срезе спе­ циальными гидравлическими домкратами треугольных призм, час­ тично вырезанных из массива [35]; применяется при определении устойчивых размеров бортов карьеров.

Оба указанных метода должны применяться как контрольные, в сочетании с соответствующими лабораторными испытаниями по­ родных образцов с учетом структурной нарушенности породы.

Рис. 7. Схема натурного испытания длительной прочности горных пород:

упоры; 10 — соединительные трубки.

Испытания искусственным нагружением малых частей массива.

Методы этих испытаний, не представительных по условиям масш­ табного эффекта для структурно нарушенного массива, но выигры­ вающих по сравнению с лабораторными в доступности, можно под­ разделить на два вида:

1. Натурные методы, имитирующие по форме и размерам «об­ разцов» и способу их нагружения соответствующие лабораторные методы. Преимущество этих методов над лабораторными имеется лишь при испытании некоторых видов пород (углей, аргиллитов), пробы которых прй“ извлечении, транспортировке и изготовлении образцов требуют сложных мероприятий по предохранению от раз­ рушения или существенных повреждений. В этих случаях такие ме­ тоды рекомендуются к применению вместо лабораторных.

К числу таких методов относятся испытания специальными пор­ тативными давильными устройствами кернов колонкового бурения не оторванных и сохранивших связь с торцом скважины. Указание

68