книги / Основы механики горных пород

Анализ экспериментальных данных показывает, что с уве­ личением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают (рис. 2 1 ). Однако для прочност­ ных характеристик в отличие от деформационных (модуля упругости Е) изменение носит очень неравномерный характер.

Так, до скоростей деформирования е= (10~2 -f-10°) с- 1 коэффи­ циент динамичности А=сгд/сгст, характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4— 1 ,2 , а далее резко возрастает до 6 —8 . Значе­ ния коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0 ,2-4-0,4 до К= 1 ,6 -г-1 ,8 .

§18. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

ВМЕСТАХ ИХ ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ

Вслучаях, когда возможности отбора образцов горных

пород для испытаний отсутствуют или ограниченны (например, при низком проценте выхода керна из буровых скважин), воз­ никает задача определения свойств пород непосредственно в местах их естественного залегания.

Определение свойств пород в массиве имеет важное значе­ ние также и в связи с проявлением упомянутого выше масштаб­ ного эффекта. Иногда, особенно при высокой степени струк­ турной нарушенности массива, например вследствие развитой естественной трещиноватости, масштабный эффект столь зна­ чителен, что показатели упругости и прочности пород в мас­ сиве по сравнению с одноименными показателями в образцах снижаются на один, а в отдельных случаях даже на два по­ рядка.

Плотность пород в массиве с достаточной степенью точно­

Сущность гамма-метода измерения плотности пород в мас­ сиве 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 8 0 Со, !37Cs или 2 26Ra), имеющий активность 0,5—2,0 мг-экв ра­ дия. Работа с источниками такой малой активности вполне безопасна и не требует особых мер защиты. Во втором парал­ лельном шпуре помещают регистрирующий зонд с детектором (счетчиком гамма-квантов). Перемещая зонды с источником и детектором вдоль скважин, фиксируют интенсивность гаммаизлучения, прошедшего через толщу горной породы между

скважинами, и по тарировочным графикам или номограммам устанавливают плотность пород на исследуемых участках.

Существуют три модификации гамма-метода измерения плотности: метод узкого пучка, метод широкого пучка и метод рассеянного гамма-излучения (гамма-гамма-каротажа). В ме­ тоде узкого пучка фиксируют только первичное гамма-излуче­ ние источника, а рассеянное излучение исключают с помощью свинцовых диафрагм или специальных сцинтилляционных счет­ чиков. В методе широкого пучка регистрируют как первичное, так и рассеянное гамма-излучение. Аппаратура этого метода отличается наибольшей простотой, хотя метод несколько менее точен, чем предыдущий. Метод рассеянного гамма-излучения предусматривает определение плотности пород в одной сква­ жине (а не в двух параллельных). Измерения этим методом ведут с помощью скважинных зондов, в которых радиоактив­ ный источник и детектор разделены экраном, поглощающим прямое гамма-излучение. Поэтому регистрируют только излу­ чение, рассеянное в окружающей зонд горной породе. Этот ме­ тод применяют для определения плотности пород в глубоких скважинах. Он носит название плотностного каротажа.

Методы определения механических свойств пород в натур­ ных условиях можно подразделить на три основные группы. К первой группе относят методы, основанные на точечном (со­ средоточенном) нагружении пород в массиве различными пор­ тативными 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 круп­ ных частей массива.

М е т о д ы « т о ч е ч н ы х » и с п ы т а н и й п р о б н и к а м и получили развитие главным образом в связи с задачами оценки свойств пород, пересекаемых при бурении разведочных, нефтя­ ных и газовых скважин. Они основаны, как правило, на стати­ ческом или динамическом внедрении индентора в массив и оп­ ределении усилий внедрения на заданную глубину либо глу­ бины и площади внедрения индентора при дозированном усилии внедрения. Известен также ряд методов и соответствую­ щих конструкций пробников для оценки свойств пород по зна­ чению усилия в момент разрушения породы, по значению энер­ гии при внедрении индентора на заданную глубину либо по деформации вдавливания при дозированной энергии; методы, основанные на определении показателей сверления (вращатель­ ного бурения) пород при стандартных режимах сверления. Все эти методы отличаются малой степенью точности определений.

Однако они позволяют непосредственно в натурных условиях экспрессно оценивать прочность (или коэффициент крепости) горных пород, а некоторые методы — также упругие показа­ тели пород. Масштабный эффект методы «точечных» испыта­ ний учесть не позволяют; к тому же и точность их слишком низка, так что их следует рассматривать лишь как средства грубой экспрессной оценки свойств пород без отбора образцов.

Необходимо подчеркнуть, что при использовании этих мето­ дов в глубоких скважинах на определяемые показатели оказы­ вает существенное влияние уровень естественной напряженно­ сти горных пород.

К методам данной группы могут быть, кроме того, отнесены методы определения механических свойств по параметрам, по­ лучаемым при консольном изгибе и срезе неотделенных от мас­ сива кернов в скважинах, а также при осевом сжатии керна и

ной нарушенности массива. Обычная схема таких испытаний состоит в том, что испытуемый породный участок оконтуривают с нескольких сторон, сохраняя связь с остальным масси­ вом лишь по одной или двум плоскостям. Затем с помощью гидравлических домкратов или иных нагрузочных устройств оконтуренный участок нагружают, фиксируя нагрузки и соот­ ветствующие им деформации пород и доводя усилия вплоть до разрушения нагружаемого участка массива. Одна из схем та­ кого нагружения приведена на рис. 22. Применяют также схему нагружения двоякозащемленных или консольных балок, оконтуриваемых с помощью врубовой машины в слабых поро­ дах 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 дистанци­ онных измерениях радиальных смещений пород в стенках буро­ вых скважин при распираний скважин с помощью специаль­ ного гидравлического давильного устройства — прессиометра [109]. 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 раз­ мещается тензометрический блок, снабженный щупами, концы которых упираются в стенки скважины. Тензоблок во время измерения не имеет механической связи с корпусом прессио-

Рис. 22. Схема определения прочности и

деформируемости породных призм при на­ гружении гидравлическими домкратами в натурных условиях.

метра и фиксирует с точностью до долей микрометра смеще­ ния стенок скважины в процессе нагружения. Определение упругих параметров (модуля деформируемости пород) произ­ водят по измеренным значениям смещения при заданных на­ грузках. Измерения отличаются малой трудоемкостью и отно­ сительной простотой.

Для определения упругих характеристик пород в массиве широко используют д и н а м и ч е с к и е м е т о д ы , в частности методы измерения скоростей упругих колебаний. Скорости уп­ ругих волн в массиве могут быть измерены различными спо­ собами, из которых наиболее распространены следующие:

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

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

в) сейсмический метод.

Ультразвуковой метод может быть использован для опреде­ ления 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 про­

между шпурами, вычисляют скорость упругих волн. Для изме­ рений применяют комплект аппаратуры со специальными дат­ чиками. Плотный контакт излучателя и приемника с породой обеспечивается механическим или (в последнее время) пневма­

конструкция датчиков, разработанных в Горном институте КФ АН СССР.

При импульсном методе в качестве возбудителя колебаний обычно используют механический удар или взрыв, а время про­ бега упругих волн измеряют какими-либо счетчиками времени. В качестве приемников применяют пьезодатчики, электриче­ ские импульсы от которых поступают на многоканальные ос­ циллографы 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 про­ хождения волной разных баз.

Для вычисления модуля упругости и коэффициента попе­ речных деформаций исследуемого участка массива необходимо вычислять скорости продольной и поперечной или поверхност­ ной упругих волн. В случае, если в результате измерений по­ лучают скорости продольной и поперечной упругих волн, ко­ эффициент поперечных деформаций вычисляют по формуле

1— vs lvPlt

где vs и оРм— скорость поперечной и продольной волн. Модуль упругости Е вычисляют по формуле

1 — V

Следует, однако, отметить, что значения упругих характе­ ристик массива функционально зависят от ряда внешних фак­ торов (поля напряжений, влажности), а также от состояния пород (их блочности и характеристик контактов между бло­ ками). Это необходимо учитывать при интерпретации получен­ ных результатов.

М е т о д ы о п р е д е л е н и я м е х а н и ч е с к и х с в о й с т в п о р о д в м а с с и в е на о с н о в е о п ы т н ы х г о р н ы х р а ­ бо т связаны с применением «обратного расчета». Сущность этих методов состоит в том, что с помощью горных работ ис­ следуемый 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, деформа­ ции, изменения напряжений в изучаемом участке массива и со­ ответствующие им геометрические параметры целиков, обнаже­ ний кровли и т. п. Если прямые задачи механики горных по­ род 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 об­ ратную задачу: определить механические свойства пород в мас­ сиве иа основе фиксируемых геометрических параметров и на­ блюдаемых смещений, деформаций и изменения напряжений. Для правильного определения механических свойств пород в натурных условиях необходимо, чтобы аналитические зависи­ мости, используемые в расчетах, надежно отражали действи­ тельный механизм процессов в изучаемом участке массива.

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

Применение маркшейдерской или стереофотограмметрической съемки площадей обрушения пород под землей или обру­ шений 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 по­ род сдвигу в массиве, устанавливать значения коэффициента структурного ослабления сцепления. По измерениям деформа­ ций контура подземной выработки во времени, используя ма­ тематический 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. По­ этому их применяют сравнительно редко. Поскольку возможное число таких опытов крайне ограниченно, особое внимание тре­ буется обращать на представительность участков опытных гор­ ных работ по горно-геологическим условиям.

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССИВОВ ПОРОД

§ 19. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНЫХ ОСЛАБЛЕНИИ

Задача изучения геометрических характеристик струк­ турных ослаблений состоит в выявлении систем трещиноватости (или других неоднородностей) массива и их пространственной ориентировки, определении протяженности трещин различных систем по простиранию и падению, густоты (плотности) трещин с целью правильного истолкования наблюдаемых явлений и учета этих данных при решении практических вопросов меха­ ники горных пород.

Выявление систем трещиноватости массива, определение их пространственной ориентировки и оценку степени постоянства этой ориентировки в пределах изучаемого шахтного поля произ­ водят посредством массовых измерений трещиноватости. Изме­ рения ведут обычно горным компасом точно так же, как и из­ мерения элементов залегания пластов пород.

Измерениям непременно должен предшествовать визуаль­ ный осмотр пород в выработках. В результате такого осмотра предварительно устанавливают общий характер и степень раз­ вития трещиноватости породного массива. При этом оценивают, насколько однородна и равномерно развита трещиноватость пород в пределах изучаемого массива.

Массовые измерения ведут на отдельных представительных участках массива — наблюдательных станциях. Если массив по данным визуального осмотра характеризуется относительно рав­ номерным развитием трещиноватости, всю изучаемую площадь (шахтное поле, горизонт и т. д.) покрывают равномерной сетью наблюдательных станций, располагаемых в нескольких десят­ ках метров одна от другой. Если развитие трещиноватости не­ равномерно, то расстояния между наблюдательными станциями выбирают дифференцированно для различных ее типов.

Наиболее полные и объективные данные могут быть полу­ чены при измерениях трещиноватости в трех взаимно ортого­ нальных плоскостях. В этом случае для наблюдений доступны обнажения по трем граням пространственного прямоугольного параллелепипеда, и измерения трещиноватости по ним позво­ ляют правильно охарактеризовать развитие трещин всех на­ правлений в данной точке массива. Поэтому удобно использо­ вать для измерений ниши или участки сопряжений выработок.

Размеры наблюдательных станций следует по возможности

ченны: в штреках и квершлагах они ограничиваются высотой выработок, вследствие чего остается возможным лишь избрать

легания всех без исключения трещин, фиксируют нормальные расстояния между трещинами одноименных систем, устанавли­ вают характер трещин (открытые, закрытые), их раскрытие, заполнение трещинными минералами, характер поверхностей трещин (ровные, неровные стенки, наличие зеркал и штри­ хов скольжения и пр.), протяженность трещин, степень искрив­ ления их поверхностей.

Кроме того, для детального изучения вещественного состава минералов-заполнителей трещин, от которого в первую очередь зависят прочностные характеристики по их контактам, необхо­ димо специально отбирать пробы для изготовления шлифов. Практика выполнения подобных работ свидетельствует о том, что при изготовлении шлифов хрупкие и весьма непрочные ми­ нералы-заполнители зачастую выкрашиваются. В этих случаях применяют специальные приемы (проварка образцов в смеси ксилола и канифоли, пропитка пихтовым бальзамом и пр.). Если же и это не приносит успеха, то минералы определяются из соскобов со стенок трещин в иммерсионных жидкостях.

Результаты массовых измерений подвергают статистической обработке и представляют в виде графиков, характеризующих пространственную ориентировку и степень выраженности си­ стем трещиноватости.

§ 20. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСЛАБЛЕНИЙ МАССИВА

Пространственную ориентировку систем трещиноватости наглядно выражают с помощью различных диаграмм трещино­ ватости. Сопоставление диаграмм по смежным наблюдатель­ ным станциям позволяет легко сравнивать результаты измере­ ний трещин и судить о степени изменчивости их простран­ ственной ориентировки и степени выраженности на различных участках шахтного поля.

Степень выраженности различных систем трещиноватости и средние элементы их пространственной ориентировки в преде­ лах всего изучаемого шахтного поля или отдельного горизонта выявляют и графически представляют с помощью сводных диа­ грамм трещиноватости в изолиниях. Такие диаграммы строят обычно раздельно для отдельных видов трещиноватости — крупноблоковой, мелкоблоковой, микротрещиноватости. Для построений наиболее широко используют сферограммы на сетке