книги / Основы механики горных пород

Рис. 1. Схема взаимосвязи механики горных пород с другими разделами науки.

В первую очередь необходимо дать определение самой механики горных пород.

Механику в целом определяют как науку о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимо­ действиях между телами. Современная механика охватывает механику точки и системы точек, гидродинамику и аэродина­ мику, составляет основу учения о механизмах, о прочности и устойчивости сооружений. Очевидно, давая определение меха­ ники горных пород, следует учитывать приведенные общие оп­ ределения механики.

С учетом изложенного механику горных пород можно опре­ делить как науку о прочности, устойчивости и деформируемо­ сти массивов горных пород и горнотехнических объектов в поле природных и вызванных влиянием горных работ сил горного давления.

Наиболее развернутое определение механики горных пород дано акад. Н. В. Мельниковым. «Механика горных пород — фундаментальная часть горной науки, изучающая свойства и

ния для создания целесообразных методов управления горным давлением и сдвижением, а также устойчивостью обнажений.

Механика горных пород, опираясь на достижения физики твердого тела, теории пластичности, фильтрации, реологии, цикла геологических, геохимических и других наук, разрабаты­ вает классификацию горных пород, методы количественной оценки свойств и состояния горных пород и массивов и дает основания для создания инженерных методов расчета горной технологии.

Механика горных пород является теоретической основой уп­ равления микрогеологическими процессами при производстве горных работ».

Основные процессы, изучаемые механикой горных пород, можно подразделить на три группы: формирование напряжен­ ного состояния массивов пород и его изменение в связи с про­ ведением выработок; сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах; взаимодействие пород и кре­ пей. Эти три группы процессов будем именовать в дальнейшем

процессами механики горных пород.

Центральным понятием в механике горных пород до недав­ него времени являлось понятие «горное давление», с которым связывались основные процессы механики горных пород. Во­ прос отыскания определения, наиболее строго отражающего это понятие, неоднократно был предметом обсуждения. Боль­ шинство специалистов, предлагая различные формулировки,

так или иначе связывало его с понятием силы, имея в виду объ­ емные силы, объективно существующие в массиве пород.

В настоящее время этот термин утратил свое значение, представляет исторический интерес и употребляется только как образное выражение с широким качественным смыслом перво­ причины всех механических явлений в массиве пород.

Современным термином является «напряженно-деформиро­ ванное состояние массива пород», исчерпывающе отражающее состояние массива пород как при наличии выработок, так и при их отсутствии. В последнем случае говорят о начальном или естественном напряженно-деформированном состоянии не­ нарушенного массива пород, т. е. массива до проведения гор­ ных работ.

Вместе с тем следствием отживающего термина «горное давление» являются до сих пор широко применяющиеся поня­ тия «проявления горного давления», под которыми понимают деформации, сдвижения и разрушения горных пород, а также результаты силового взаимодействия между породами и крепью, другими словами, результаты действия процессов ме­ ханики горных пород.

§ 3. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ

МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Основным объектом механики горных пород в соответ­ ствии с приведенными выше ее определениями является пород­ ный массив, а именно механические процессы, происходящие в массиве и связанные главным образом с проведением в нем горных выработок. В отличие от других смежных разделов, на­ пример строительной механики, механика горных пород весьма специфична, что обусловлено особенностями горных пород, ме­ ханические свойства которых резко различны, а степень неод­ нородности гораздо больше, чем для отдельных кристаллов, ме­ таллов, полимерных материалов и других твердых тел. Кроме того, механические и геометрические схемы задач здесь также обычно существенно отличны от схем классических задач тео­ рий упругости, пластичности, типовых задач строительной ме­ ханики, машиноведения и других смежных областей.

Как правило, в механике горных пород приходится рассмат­ ривать трехмерные (объемные) задачи, существенную роль в которых играют реологические процессы, т. е. процессы, свя­ занные с деформациями пород во времени. Поскольку дефор­ мации горных пород лишь в ограниченном диапазоне следуют теории упругости, использование известных решений из клас­ сической теории упругости весьма ограниченно. Кроме того, механика горных пород сталкивается с широким классом за­ дач, связанных с деформированием массивов пород не только

за пределами упругих, но и пластических деформаций, т. е. после разрыва сплошности пород в процессе деформирования массивов. Задачи такого рода обычно не встречаются в других разделах механики и характерны в первую очередь именно для механики горных пород.

Отмеченная специфичность, описанная пока в самых об­ щих чертах, обусловливает и применяемую общую методо­ логию.

Первостепенное значение имеет анализ характера и форм проявления процессов механики горных пород в различных ус­ ловиях ведения горных работ, в разнообразных горно-геологи­ ческих условиях. Особенно важны при этом инструментальные измерения с целью определения основных параметров и харак­ теристик изучаемых процессов в конкретных горно-геологиче­ ских условиях: напряжений, деформаций, сдвижений горных пород и их изменения в зависимости от основных действующих факторов. Данные, получаемые из натурных исследований, по­ зволяют типизировать изучаемые явления и процессы, уяснять их общий механизм и физическую сущность и проводить даль­ нейшие теоретические обобщения, устанавливать допустимую степень схематизации задач.

Для механики горных пород, как ни для какого другого раздела механики, характерно широкое использование различ­ ных методов моделирования, позволяющих выявить в исследуе­ мых процессах роль различных действующих факторов и полу­ чить значения необходимых параметров при невозможности сведения поставленных задач к схемам, решаемым аналитиче­ скими методами.

Вместе с тем достаточно широко используют и аналитиче­ ские методы решения на основе общих закономерностей теорий упругости, пластичности и предельного равновесия. При этом необходимые параметры определяют обычно из результатов на­ турных измерений и моделирования.

Важно подчеркнуть при этом, что получение весьма точных решений по отношению к такому неоднородному объекту, как массивы горных пород, невозможно. Поэтому предпочтительнее ставить вопрос о расчете основных параметров процессов ме­ ханики горных пород с точностью, удовлетворяющей практику, т. е. обычно до нескольких десятков процентов, а в некоторых

с одновременным привлечением методов и приемов моделиро­ вания и аналитических исследований на базе теоретических по­ ложений из основных разделов современной механики, матема­ тических и физических аналогий.

§ 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ЗАДАЧ, РЕШАЕМЫХ МЕХАНИКОЙ ГОРНЫХ ПОРОД

Труд горнорабочих по естественным условиям гораздо более опасен по сравнению с многими другими сферами труда. В истории развития горного дела и вплоть до наших дней из­ вестны многие случаи катастрофических бедствий, человече­ ских жертв и серьезного экономического ущерба, связанных с неучетом или недостаточным знанием явлений и процессов механики горных пород, недостаточной информацией о масси­ вах, в которых ведут горные работы.

Одна из самых больших катастроф произошла в 1916 г. в Японии при разработке двумя рудниками угольных пластов под океаном на удалении от берега свыше 1 км. Глубина залегания пластов под дном океана состав­

ляла около 70 м. В результате прорыва воды, который предположительно произошел по тектонической трещине, раскрывшейся вследствие сдвижения пород над выработками, рудники были затоплены в течение 2 ч, погибло

237 горняков [1].

Известны случаи затопления соляных рудников в Германии в резуль­ тате проникновения в них подземных вод но трещинам, образовавшимся при сдвижении пород. Так, в считанные часы были затоплены калийные шахты Ашерслебен I (1885 г.), Вестергельн I/II (1891 г.) и Ашерслебен III (1895 г.).

Совсем недавно в нашей стране возникла аварийная ситуация на одной из шахт Соликамского месторождения калийных солей также в результате прорыва в подземные разработки пресных вод.

Такие грозные явления, как горные удары и внезапные вы­ бросы пород и газа на рудниках, сопровождающиеся часто значительными разрушениями выработок, катастрофами, связан­ ными с проникновением подземных вод по трещинам, образую­ щимся при сдвижении пород над выработками, случаи внезап­ ного оползания больших масс пород в карьерах, а также обру­ шения старых терриконов шахт, деформации и разрушения зданий и сооружений на земной поверхности и в толще пород, обусловленные сдвижением пород в зоне влияния разработок, вызывают необходимость разработки рациональных способов и мер подработки объектов с обеспечением максимальной их сохранности. Так, подработка городов Донецк, Горловка и Ма­ кеевка, осуществленная в 1960— 1970 гг., позволила извлечь более 20 млн. т высококачественных коксующихся углей и, не­ смотря на затраты 4 млн. руб. на специальные меры по сохра­ нению и ремонту подработанных объектов, дала чистый эконо­ мический эффект более 50 млн. руб.

Существенные задачи, которые выдвигает горная практика перед механикой горных пород, состоят в определении опти­ мальных способов и параметров крепления выработок.

Например, на крупнейших апатитовых рудниках Хибин (Кольский по­ луостров) при разработке верхних горизонтов крепление выработок выпуска и доставки проектом не предусматривалось, поскольку практически такой не­ обходимости не возникало. С переходом же к отработке глубинных горнзон-

тов вследствие осложнения горно-геологических условий предусматривают крепление свыше 30 % протяженности выработок, что требует ежегодных дополнительных затрат более 0,5 млн. руб. В настоящее время доля закреп­ ленных выработок еще более увеличивается.

В настоящее время ни один проект разработки месторожде­ ний, строительства гидроэлектростанций, тоннелей, подземных хранилищ и т. д. не обходится без рассмотрения основных во­ просов механики горных пород с предварительным проведе­ нием исследований еще на стадии геологоразведочных и изы­ скательных работ.

Таким образом, практика горного дела выдвигает перед ме­ ханикой горных пород сложные и ответственные задачи, свя­ занные с обеспечением максимальной безопасности горных работ и определением оптимальных параметров ведения разра­ боток, т. е. ведения их с максимальным экономическим эффек­ том, но в то же время при достаточно высокой надежности и предотвращении либо предвидении и локализации вредных проявлений горного давления.

Глава 2. СВОЙСТВА, ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД КАК ФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

§5. ОБЩАЯ СИСТЕМАТИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Вобщем случае горные породы представляют собой многокомпонентные гетерогенные системы, включающие твер­

дую, жидкую и газообразную фазы. Наличие жидкой и газо­ образной фаз обусловлено пористостью пород.

В зависимости от геологических процессов, в результате ко­ торых образовались горные породы, их разделяют на три гене­ тические группы: магматические (или изверженные), осадоч­ ные и метаморфические. Однако применительно к кругу задач, решаемых в механике горных пород, породы лучше классифи­ цировать по характеру связей между их частицами. По этому признаку следует выделить несколько классов пород.

I. Твердые, в которых слагающие их твердые минеральные частицы связаны между собой жесткой связью, обеспечиваю­ щей сохранение формы. К ним относятся магматические, оса­ дочные сцементированные и метаморфические породы. В этом классе иногда выделяют скальные и полускальные породы ис­ ходя из их прочностных свойств. К скальным относят крепкие породы с пределом прочности при одноосном сжатии более 50 кгс/см2. При насыщении водой силы сцепления у таких по­ род не исчезают. Примерами скальных пород могут служить граниты, диабазы, базальты, сиениты, гнейсы, крепкие песча­ ники и известняки. К полускальным относят сцементированные породы, у которых наряду с жесткими существенно проявля­ ются и пластичные связи. Выше некоторых предельных нагру­ зок, при которых жесткие связи нарушаются, деформации та­ ких пород происходят по тем же законам, что и для рыхлых пород. При насыщении водой силы сцепления у полускальных пород, как правило, значительно снижаются либо даже пол­ ностью исчезают. Примерами таких пород являются слабо сцементированные песчаники, слабые известняки, доломиты, мергели, песчанистые и глинистые сланцы, аргиллиты, алевро­ литы.

II. Связные или пластичные. В породах этого класса мине­ ральные частицы связаны водно-коллоидной связью, преиму­ щественно через тонкие пленки воды, обволакивающие ча­ стицы. В зависимости от степени насыщения этих пород водой изменяется степень их пластичности. Примерами связных по­ род являются глины и слабые глинистые сланцы, суглинки, бокситы.

III. Раздельнозернистые или рыхлые, сыпучие, в которых связи между минеральными частицами отсутствуют или ни­ чтожно малы, т. е. эти породы представляют собой простые механические смеси частиц нескольких или одного минерала либо обломков твердых пород. Примерами раздельнозернистых пород являются пески, гравийно-галечные отложения, искус­ ственные отвалы пород.

В этом классе выделяют песчаные и крупнообломочные по­ роды.

IV. Текучие. В породах этого класса минеральные частицы разобщены водой, т. е. способны различным образом переме­ щаться вместе с насыщающей их водой. Примерами таких по­ род являются насыщенные водой пески (плывуны), насыщен­ ные водой глины или суглинки.

Наибольший объем всех горных работ приходится на твер­ дые породы, поэтому их изучение представляет основной ин­ терес в механике горных пород.

§ 6. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ГОРНЫХ ПОРОД

Свойства пород зависят от их состава и строения. Со­ стоят горные породы из минералов. Известно около 3000 раз­ личных минералов, однако в составе горных пород существен­ ную роль играют только немногим более 20 так называемых породообразующих минералов, наиболее распространенных в земной коре. Минеральные составы самой обширной группы

ные и полиминеральные горные породы. Большинство пород принадлежит ко второму типу. Примерами мономинеральных пород являются песчаник, известняк, мрамор, гипс и др.

Можно выделить несколько важнейших групп породообра­ зующих минералов, оказывающих существенное, и притом раз­ личное, влияние на механические свойства пород:

сен, слюда и др.;

Рис. 2. Обобщенная диаграмма минерального состава магматических горных пород (по Дж. В. Тиррелю).

в) карбонатные и глинистые гидрофильные минералы — кальцит, доломит, каолинит и др.;

г) легкорастворимые минералы — гипс, галит, сильвин идр. Наивысшей прочностью и упругостью обладают кварцевые породы с кремнистой цементацией (кремнистые песчаники, кварциты). Высокую прочность имеют силикатные породы. Од­ нако с повышением содержания слюдистых минералов пока­ затели прочности снижаются. При наличии в породе глинистых и легкорастворимых минералов прочность и упругость резко

уменьшаются.

К строению пород относят размеры, форму, взаимное рас­ положение и способ срастания слагающих их минеральных ча­ стиц. Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура.

Под структурой понимают степень кристаллизации пород (кристаллическое или аморфное их строение), размеры, форму минеральных частиц и характер связей между ними. По сте­ пени кристаллизации пород выделяют полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые и обломоч­ ные структуры.

Полнокристаллическим породам свойственна полная раскристаллизация всех слагающих их минералов. Породы непол­ нокристаллические состоят частично из кристаллических зерен,

частично из аморфной стекловатой цементирующей массы. Стекловатые породы полностью состоят из стекловатой массы. В породах порфировой структуры в общую стекловатую или кристаллическую массу вкраплены крупные зерна. Породы об­ ломочной структуры состоят из сцементированных обломков первичных пород, из которых они образовались. С увеличением степени раскристаллизации пород обычно их прочность пони­ жается.

По крупности кристаллических зерен различают породы ги- ганто-, грубо-, крупно-, средне-, мелкозернистой, афаиитовой и скрытозернистой (микрокристаллической) структур.

Породы гигантозернистой структуры имеют размеры сла­ гающих их кристаллов свыше 100 мм. Примером таких пород являются некоторые слюдяные пегматиты. Крупность кристал­

уменьшения зернистости, как правило, повышаются плотность, прочность и упругость пород.

Выделяют также породы равномернозернистой структуры, сложенные из кристаллов примерно одинаковых размеров, и неравномернозернистой структуры, в которых размеры слагаю­ щих их кристаллов существенно различны.

Свойства пород неполнокристаллической, порфировой и об­ ломочной структур существенно зависят от характера цемента­ ции и состава цементирующего (стекловатого) вещества.

Состав цемента (стекла) может быть самым разнообраз­ ным: кремнистым, железистым, известковистым, глинистым, мергелистым, гипсовым и т. д. Наибольшей прочностью обла­ дают породы с кремнистой и железистой цементацией, наимень­ шей — с гипсовой, глинистой.

Другим важнейшим признаком строения пород наряду со структурой является их текстура. Под текстурой (сложением) понимают взаимное расположение структурно однотипных ча­ стей породы в занимаемом ими пространстве. Текстура породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. С точки зре­ ния механики горных пород важнейшими являются следующие текстуры:

массивная — частицы горной породы плотно прилегают друг к другу, ориентированы произвольно;

пористая — частицы породы прилегают друг к другу не­ плотно, между ними имеется множество микропустот (пор);

слоистая — частицы пород чередуются, образуя слои и на­ пластования.

Породы упорядоченных текстур обладают обычно анизо­ тропностью свойств, т. е. существенным различием их показа­