книги / Основы механики горных пород

телей в направлении (по поверхностям) слоистости, сланцева­ тости, плойчатости от одноименных показателей в иных на­ правлениях.

Свойства горных пород неупорядоченной текстуры (напри­ мер, массивно-кристаллических) оказываются сходными во всех направлениях. Такие породы при решении задач механики горных пород можно рассматривать как квазиизотропные тела.

Для многих осадочных и метаморфических пород с точки зрения изменения их механических свойств существенное зна­ чение имеют слоистость, полосчатость и пластовая отдельность.

Слоистость и полосчатость связаны со сменой минералоги­ ческого или вещественного состава, причем эта смена может быть резкой или же постепенной.

Пластовая отдельность — это плоскости, по которым одни пласты пли слои отделяются от других. При этом сцепление пород по плоскостям пластовой отдельности обычно значительно ниже, чем сцепление внутри пластов или слоев пород. Осо­ бенно велика эта разница для слоистых метаморфических по­ род, которым свойственно расслаивание массивов. В процессах метаморфизма это расслаивание сопровождалось межслоевыми подвижками, которые обусловили дополнительное снижение сцепления и угла трения по поверхностям раздела слоев.

§ 7. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Число физических свойств горных пород, проявляю­ щихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами со­ временной горной технологии. В механике горных пород тре­ буется знание в первую очередь механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некото­ рые другие свойства, показатели которых достаточно отчетливо коррелируются с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки действующих напряже­ ний. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно корреляционно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или

вмассиве.

Вкачестве основного признака классификации физических свойств пород следует принять внешние поля, во взаимодей­ ствии с которыми проявляются те или иные свойства. На ос­ нове этого признака можно выделить следующие классы физи­ ческих свойств горных пород: плотностные, механические, теп­ ловые, электромагнитные, радиационные.

В табл. 1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп. Рекомендуемые символы для обозначе­ ния различных физических свойств приняты с учетом их неповторяемости и преимущественного соответствия обозначениям, наиболее распространенным в научно-технической литературе. В классификационной таблице приведены единицы в Между­ народной системе (СИ), а также в других системах единиц, и даны коэффициенты перехода к системе СИ.

Рассмотрим подробнее класс плотностных и механических свойств горных пород, поскольку именно с ними связаны рас­ четы механических процессов, протекающих в толще пород при ведении горных работ.

П л о т н о с т н ы е с в о й с т в а горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две группы: собственно грави­ тационные и структурные. К гравитационным свойствам отно­ сят удельный уо и объемный у вес пород, к структурным — их

где GTи Vi — вес и объем твердой фазы образца.

Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.

Объемным весом называют отношение веса основных агре­ гатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объ­

Объемный вес— это наиболее часто используемая плотност­ ная характеристика горных пород, которая зависит от их со­ става и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

где g — ускорение свободного падения.

В отличие от удельного и объемного весов плотность явля­ ется параметром вещества в строгом физическом смысле.

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные н некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Под пористостью горной породы понимают суммарный от­ носительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммар­ ный относительный объем открытых (сообщающихся) пор ха­ рактеризует открытую пористость По горной породы. Сум­ марный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Я„. Порис­ тость, которой определяется движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью /7Э. Общая порис­ тость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета назы­ вают коэффициентом пористости /(„•

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапилляр­ ные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапил­ лярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем

Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы

спористостью низкой (менее 5 %) , пониженной (5— 10% ),

горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп: прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам; деформационные, характеризующие упругую и пластическую деформируемость пород под нагрузками; акустические, харак­ теризующие условия передачи породами упругих колебаний; реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения; горнотехнологи­ ческие, характеризующие реакцию пород на воздействие каких-

Модуль объемной упругости К, или модуль всестороннего сжатия, равен отношению равномерного всестороннего напря­ жения к относительному упругому изменению объема образца:

где A V /V — относительное изменение объема.

Коэффициент поперечных деформаций v, или коэффициент Пуассона, является мерой пропорциональности между относи­

Таким образом, зная две из этих характеристик, можно рас­ четным путем определить значения двух других. Обычно экс­ периментально определяют на образцах пород характеристики Я и v.

Модули упругости различных пород изменяются в пределах (14-3) - 104— ( 1 -г-3) • 10® кгс/см2. Наиболее низкие модули упру­ гости имеют пористые туфы, слабые глинистые сланцы, галит, гнейсы, филлиты. Наиболее высоки модули упругости базаль­ тов, диабазов, пироксеиитов, дунитов, монтичеллита. С ростом плотности пород модули их упругости, как правило, возрас­ тают. Модули упругости слоистых пород в направлении слоис­ тости выше, чем перпендикулярно к слоистости

Коэффициенты поперечных деформаций v горных пород тео­ ретически могут изменяться в пределах от 0 до 0,5. Для боль­ шинства пород они колеблются в интервале значений от 0,15 до 0,35. Минимальные значения v имеют некоторые биотитовые и известковые сланцы, опал, филлиты, гнейсы (0,01—0,08), максимальные — некоторые дуниты, амфиболиты (0,40—0,46).

Показатели некоторых из рассмотренных физических свойств для углей, руд и пород важнейших месторождений полезных ископаемых приведены в табл. 2.

Упругое деформирование представляет собой частный слу­ чай поведения пород до некоторого значения напряжений, на­ зываемого пределом упругости, когда деформации носят чисто упругий характер и исчезают после снятия нагрузки. За пре­ делом упругости происходит пластическое деформирование