книги / Основы механики горных пород

Коэффициент Петрограяюлинейного минералогическое расширения описание

и не вносящие в них каких-либо необратимых изменений. За­ тем определяются свойства, требующие разрушения испыты­ ваемых образцов.

Общая схема рациональной последовательности определе­ ния физических свойств горных пород приведена на рис. 4. Для комплексных определений приняты цилиндрические образцы диаметром 40—43 мм. Результаты испытаний таких образцов представительны для твердых и связных пород большинства рудных и угольных месторождений, за исключением пород ги- ганто-, грубо- и крупнозернистой структуры. Для последних испытания необходимо проводить на более крупных образцах.

§ 8. СТРУКТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ

Характерным свойством горных пород является высокая степень их неоднородности, которая обусловлена в первую оче­ редь отмеченными выше различиями состава и строения пород. Более высокая степень неоднородности наблюдается в масси­ вах, сложенных различными горными породами. Кроме того, в массивах пород часто встречаются геологические нарушения и

горных работ, например, со взрыванием и т. д.

В результате расчленения поверхностями указанных видов структурных неоднородностей массивы горных пород имеют ярко выраженную блочную структуру, причем размеры отдель­ ных структурных блоков обычно существенно различаются между собой и определяются расстояниями между соседними поверхностями структурных неоднородностей.

В существующих инженерно-геологических и горных клас­ сификациях, исходя из размеров образуемых структурных бло­ ков, выделяют несколько порядков (классов) структурных не­ однородностей [119].

К неоднородностям нулевого порядка относят крупные тек­ тонические разрывы, связанные с региональными полями тек­ тонических напряжений, разбивающие массивы пород на блоки с линейными размерами свыше 10 км.

Неоднородности первого порядка обусловлены наличием в массиве различных по составу, структуре и текстуре пород, крупных геологических нарушений, тектонических разрывов и т. д. Эти неоднородности расчленяют массив на блоки раз­ мерами от сотен метров до километров.

Более мелкие блоки размерами от десятков сантиметров до десятков метров связаны с неоднородностями второго порядка.

К этому классу относят неоднородности структуры и состава пород в пределах одной пачки, слоя, а также естественную тре­ щиноватость.

Роль естественных трещин в изменении механической ха­ рактеристики массива горных пород отмечал еще М. М. Про­ тодьяконов [113]: «Горные породы в массе своей отнюдь не представляют собой сплошных упругих тел. Множество трещин, от микроскопических до грандиозных, разбивают всю толщу на отдельные куски, и даже там, где связь оста­ ется, она в значительной мере слабее, чем внутри самих кусков».

Учитывая это, рассмотрим данный вид структурных неодно­ родностей более подробно. Трещинами называют разрывы в горных породах, перемещения по которым совершенно отсут­ ствуют или очень незначительны. Совокупность трещин, рас­ членяющих тот или иной участок земной коры, называют тре­ щиноватостью.

По степени проявления различают следующие три группы трещин: открытые, закрытые и скрытые. Открытые трещины имеют четко видимую полость, часто заполненную вторичными и гидротермальными минералами. Закрытые трещины характе­ ризуются столь сближенными стенками, что хотя сам разрыв по ним хорошо прослеживается, полость по разрыву незаметна. Скрытые трещины, к которым, в частности, относится кливаж углей, визуально не видны, так как они очень тонки, но их можно обнаружить при разбивании или дроблении горных пород.

Естественные трещины обычно образуют в массиве системы или ряды. Трещины одной системы имеют параллельные или близкие к параллельным направления, но не могут пересе­ каться друг с другом. Если же трещины пересекаются даже под очень острым углом, то они должны быть отнесены к раз­ личным системам.

Часто встречаются две или три системы трещин, пересекаю­ щихся друг с другом под углами, близкими к прямым. При этом изменение в ориентировке одной из систем сопровожда­ ется соответствующим изменением другой. Такие взаимосвя­ занные системы трещин называются сопряоюенными систе­

мами.

Обычно в массиве горных пород можно выделить не менее трех систем трещиноватости. В ряде случаев число систем до­ стигает пяти-шести и более.

Детальный анализ развития трещиноватости массивов гор­ ных пород различных месторождений показывает, что по ли­ нейным размерам трещин и сцеплению пород на их контактах выделяются три группы трещиноватости: крупноблоковая, мел­ коблоковая и микротрещиноватость. Последняя группа принад­

Рис. 5. Структурная схема массива горных пород.

а— 2 — деформирующиеся объекты различных линейных размеров. 1—4 — неоднородности соответственно первого — четвертого порядков.

случае колеблются от долей миллиметра до нескольких санти­ метров.

При этом необходимо подчеркнуть, что у выделяемых по­ рядков структурных неоднородностей в пределах одного мас­ сива горных пород, как правило, наблюдается довольно четкое соответствие в пространственной ориентации. Кроме того, экс­ периментальные исследования показывают [152, 59], что между геометрическими и механическими характеристиками структур­ ных неоднородностей массива также существует определенная связь: крупным, но более редким поверхностям неоднородно­ стей соответствуют, как правило, более низкие значения проч­ ностных характеристик.

Изложенное позволяет представить схему строения массива горных пород с учетом структурных неоднородностей различ­ ных порядков в виде некоторой пространственной конструкции, состоящей из плотно прилегающих друг к другу блоков с раз­ личной степенью связи между ними (рис. 5).

Естественно, что влияние неоднородностей различных по­ рядков на деформирование и разрушение каких-либо конкрет­ ных объектов далеко не равнозначно. Например, неоднородно­ сти нулевого и первого порядков на устойчивость горных выра­ боток практически не влияют, поскольку размеры структурных блоков, образуемых неоднородностями этих классов, больше размеров выработок во много раз. В то же время неоднородно­ сти второго порядка, в частности естественная трещиноватость, оказывают на устойчивость выработок весьма существенное влияние, обусловливая вывалы пород из стенок и кровли вы­ работок.

Рис. 6. Характер деформирования ультраосновных пород в зависимости от размеров деформирующихся объемов.

В большей степени изучено влияние поверхностей неоднородностей раз­ личных порядков на изменение прочностных характеристик массива горных пород, являющееся одним из проявлений масштабного эффекта. Так, на­

сцепление по мелкоблоковым естественным трещинам, представляющим со­ бой неоднородности третьего порядка, равно 60, а по крупноблоковым тре­ щинам (второй порядок) — всего около 10 кгс/см2 [59].

Поскольку при оценке устойчивости выработок, целиков, откосов бортов карьеров и котлованов часто возникает необходимость характеризовать те или иные свойства массива по данным испытаний образцов в лаборатории, в практике находят применение так называемые коэффициенты структурного ослабления Xi, характеризующие степень снижения показателей соответст­

вующих механических свойств массива пород вследствие наличия в массиве естественных трещин или других поверхностей структурных неоднородностей.

Коэффициенты структурного ослабления Xi могут быть определены для

большинства прочностных и деформационных характеристик — пределов прочности на сжатие и растяжение, модуля упругости Е, сцепления [то], угла

внутреннего трения <р и др. Однако наиболее употребителен коэффициент структурного ослабления, характеризующий отношение сцепления по кон­ тактам естественных трещин к сцеплению в монолитной породе. Этот коэф­ фициент для широкого диапазона породных массивов достаточно устойчив, составляет 0,01—0,02 и наглядно иллюстрирует влияние неоднородностей второго порядка — крупноблоковой естественной трещиноватости — на проч­ ностные характеристики массива пород. Для мелкоблоковой трещиноватости

сива изучено менее детально, имеются лишь обобщенные данные о прочност­ ных характеристиках, в частности значения сцепления и углов внутреннего трения по контактам слоев различных осадочных толщ и отдельных петро­ графических наименований пород [152].

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

горных пород в массиве оказывают условия и формы их зале­ гания, а также взаимное расположение слоев с различными механическими свойствами.

Изменчивые формы и невыдержанное чередование пород с различными механическими и плотностными свойствами обу­ словливают неравномерность распределения напряжений в мас­ сиве, резко усиливающуюся при проведении горных вырабо­ ток. Большое различие в напряженное состояние пород и усло­

данным испытаний образцов их поведение вокруг выработок различно в зависимости от того, пройдены ли выработки в сво­ довых частях складок или в их синклинальных частях и на крыльях. В первом случае обычно достигается максимальная устойчивость выработок.

Одни и те же слои пород, будучи расположены во вмещаю­ щих породах с различными свойствами, ведут себя при дефор­ мировании 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.