геомеханика. 1. Геомеханика как раздел горной науки, основные понятия и определения
 Скачать 136.16 Kb.
|
|
1.Геомеханика как раздел горной науки, основные понятия и определения. Наука о механическом поведении породного массива под действием внешних сил называется геомеханикой. Развитие этой науки связано с развитием вычислительной техники. До появления мощных численных методов широкого распространения ЭВМ, традиционная геомеханика делила его механические задачи на две группы: предельного состояния и деформационные. В первую группу попадали задачи определения несущей способности фундаментов; устойчивости откосов, насыпей, плотин, подземных выработок и камер, давления на подпорные стенки. Ко второй группе относились задачи расчета осадок грунтовых оснований под нагрузками от зданий и других сооружений, в том числе с учетом фильтрационной консолидации, контактные задачи взаимодействия сооружений с грунтами, прогноза устойчивости подземных выработок путем сопоставления напряжений с прочностными свойствами пород. Теоретическая основа для решения задач первой группы была заложена Ш. Кулоном в конце XVIII-го столетия. Решения предельных задач основаны на анализе уравнений равновесия в плоскости, в пространстве или по какой-либо поверхности, отсекающей часть массива от целого. Получаемые решения определяют только предельные сочетания действующих нагрузок при заданных прочностных свойствах пород. Решения задач второй группы базировались на предположении о линейной связи напряжений и деформаций в породах, что давало основание для использования методов теории упругости при анализе деформаций пород под нагрузкой. Ввиду сложности получения упругих решений деформационные задачи механики пород обычно расчленяются на расчет напряжений в массиве горных пород и расчет деформаций выполняют обычно с целым рядом упрощающих допущений, что позволяет использовать известные решения простейших задач, т.е. игнорировать те или иные компоненты тензора напряжений при расчете деформаций. Как видим, эти две группы задач рассматривают работу горн. пород с совершенно различных позиций и требуют даже разных характеристик пород: для задач предельной группы характеристиками являются сцепление К(С) и угол внутреннего трения φ, а для задач деформационной группы — модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ν. При решении задач первой группы деформации грунта не рассматриваются и предполагаются достаточными для полной мобилизации сил сопротивления. Во второй группе задач напряжения и деформации предполагаются достаточно малыми, при которых еще не образуется зоны предельного состояния, или эти зоны настолько малы, что их можно игнорировать. Между тем во всех представляющих реальный интерес задачах механики горных пород имеют место смешанные деформации обоих типов — упругие и пластические. При малой величине пластических зон ими пренебрегают и задачу рассматривают как упругую. При существенном развитии пластических деформаций их необходимо рассчитывать и решать смешанную задачу. 2.Свойства горных пород (типы горных пород от характера механических связей) В механике ГП последнее представляет интерес с точки зрения их прочности и деформируемости под нагрузками, а также механического влияния их масс на смежные толщи пород в условиях естественного залегания. ГП – многокомпонентные гетерогенные системы, включающие тв, жид, газ фазы. Наличие жид и газ фаз обусловлено пористостью пород. ГП состоит из минералов более или мене одного состава. Минералы – химические соединения, которые бывают тв (рудные минералы), жид (вода, нефть, ртуть) или газообразными (природный газ). Свойства пород зависят от их минерального состава и структурного строения, т.е. от характера механических связей между тв. минеральными частицами. В зависимости от характера различают следующие типы пород: -текучие породы, в которых мин частицы разобщены водой, т.е. могут перемещаться вместе с насыщающей их жидкостью (насыщенные водой пески(плывуны), глины или суглинки); - рыхлые зернистые породы – механические смеси частиц различных или одного минерала, несвязанных между собой обломков твердых пород. (пески, гравийно-галечные отложения, искусственные отвалы пород). - связанные (пластичные) породы – в этом типе пород тв-минеральные частицы связаны водно-коллоидной связью между собой (преимущественно через тонкие пленки воды, обволакивающие частицы). Причем в зависимости от степени насыщения этих пород водой изменяется степень их пластичности (глина, бокситы) - твердые скальные и полускальные – в них слагающие их тв мин частицы связаны между собой жесткой упругой связью, обеспечивающей сохранение формы. К скальным относят крепкие породы со структурными кристаллизационными или аморфными связями. При насыщении водой силы сцепления у таких пород не исчезают (граниты, базальты, крепкие песчаники и известняки). К полускальным относят сцементированные породы, у которых наряду с жесткими проявляются и пластические связи. Выше некоторых предельных нагрузок, при которых жесткие связи нарушаются, деформирование таких пород происходят по тем же законам, что и для рыхлых пород. При насыщении водой силы сцепления у полускальных пород значительно снижаются, либо полностью исчезают (аргиллиты, глинистые сланцы, алевролиты, слабосцементированные песчаники). Твердые скальные и полускальные породы представляют наибольший интерес для механики горных пород, т.к. основной объем работ происходит непосредственно в них. 3.Петриграфические особенности горных пород (состав, строение) Юнаков говорил либо структура, либо текстура в билете Свойства пород зависят от их состава и строения. Состоят породы из минералов. Известно около 3000 минералов. Однако, в составе ГП существенную роль играют только около 20 (породообразующие минералы), наиболее распространенные в земной коре. По минеральному составу различают мономинеральные и полиминеральные ГП. Большинство пород принадлежит 2-му типу. Примером мономинеральных пород являются: песчаник, мрамор, гипс и др. Необходимо выделить несколько важнейших групп породообразующих минералов, оказывающих существенное и при том различное влияние на св-ва пород: 1кварцевые минералы – кварц, кремень и др; 2 силикатные минералы – полевой шпат, пироксен, слюда и др; 3 карбонатные и глинистые гидрофильные минералы – кальцит, доломит и др; 4 легко растворимые минералы – гипс, галит и др. Наивысшей прочностью и упругостью обладают кварцевые породы с кремнистой цементацией –кварциты, кремнистые песчаники. Повышенную прочность имеют силикатные породы, однако, с повышением содержания слюдистых минералов, показатели прочности уменьшаются. При наличии в породе глинистых и легкорастворимых веществ прочность снижается. К строению пород относят: размеры, форму, взаимное расположение и способ простирания слагающих их минеральных частиц. Важнейшими признаками пород являются текстура и структура. Структура – степень кристаллизации пород (кристаллическая и аморфная), их строение, размеры, формы частиц и характер связи между ними. По степени кристаллизации пород выделяют: полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые, обломочные структуры. Полнокристаллическим породам свойственна полная раскристализация всех слагающих их минералов. Породы неполнокристаллические состоят частично из кристаллических зерен, частично из аморфной, стекловатой и цементирующей массы. В породах с порфировой структурой в общую стекловатую или кристаллизованную массу вкраплены крупные зерна. Породы обломочной структуры состоят из цементированных обломков первичных пород из которых они образовались. С увеличением степени раскристаллизации пород их прочность уменьшается. По крупкости кристаллических зерен различают: гиганто(100мм), грубо (10-100), крупно (5-10), средне (1-5), мелко (до 1мм) зернистые, афонитовые (зерна различимы лишь в лупу) и скрытокристалличческие (микрокристаллические, зерна различимы только под микроскопом) структуры. По мере уменьшения зернистости увеличивается плотность, прочность и упругость пород. Выделяют породы равномернозернистой структуры (сложенной из кристаллов одинакового размера) и неравнозернистой структуры (размеры слагающий кристаллов различны). Свойства пород неполнокристаллической порфировой и обломочной структур существенно зависят от характера цементации и состава цементирующего вещества. Типы цементации: - базальный. Зерна минералов не соприкасаются друг с другом, погружены в стекловатую массу. Степень цементации высокая, прочность зависит от характера цементирующего вещества. - контактный. Цемент присутствует только по контактам соприкосновения зерен. Цементация слабая, прочность не высокая. - поровый. Мин зерна соприкасаются, а поры между зернами заполнены цементом. По сравнению с предыдущим типом прочность цементации более высокая и зависит от соотношения поверхностей непосредственного соприкосновения зерен и заполненных цементом. -коррозионный (цементация разъедания). Цементирующее вещество внедряется в минеральные зерна, а не только заполняет промежутки между ними. Прочность цементации очень высокая. Состав цемента (стекла) может быть разнообразным: кремнистым гипсовым и тд. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистой и железистой цементацией. Наименьшей с гипсовой и глинистой. Текстура (сложение) – взаимное расположение структурно однотипных частей породы, занимаемой ей в пространстве. Текстура может быть упорядоченной и неупорядоченной. С точки зрения механики ГП важнейшие текстуры: массивная (частицы ГП прилегают друг к другу плотно, ориентированы произвольно), пористая (частицы прилегают неплотно, между ними есть пустоты (поры)), слоистая (частицы чередуются, образуя слои и напластования), флюидальная, сланцеватая. Породы упорядоченных текстур обладают обычно анизотропностью свойств. Св-ва ГП неупорядоченной текстуры оказываются сходными во всех направлениях. Такие породы в задачах механики и ГП можно рассматривать как квазиизотропные тела. Для многих осадочных и метаморфических пород, с точки зрения изменения их механических свойств существенное значение имеет слоистость, полосчатость, пластовая отдельность. Слоистость и полосчатость связаны со сменой минералогического или вещественного состава, причем эта смена может быть резкой или же постепенной. Пластовая отдельность – плоскости по которым одни пласты отделяются от других. Сцепление пород по плоскостям пластовой отдельности ниже, чем сцепление внутри пластов. Особенно велика эта разница для слоистых метаморфических пород, которым свойственно расслаивание массива. В процессе метаморфизма это расслаивание сопровождалось межслоевыми подвижками, которые обусловили дополнительное снижение сцепления и угла трения по пов-ти раздела слоев. 4. Классификация физико-технических свойств горных пород. Минералогический состав и строение, а также многофазность предопределяет их различие поведения при воздействии нагрузок, тепла, электрического поля, и др. Физическое св-во – это ответная реакция при воздействии на породу опред-х физических полей и средств. Численно каждое физическое св-во породы оценивается одним или несколькими па-ми, которые являются количественной мерой св-тв породы Свойства пород и их параметры, которых характеризуют ответную реакцию на воздействие определенных инструментов механизмов или технологических процессов – называется горнотехническими. Совокупность горнотехнических и физических па-ов есть физико-технические па-ры. Горнотехнические па-мы делятся на: 1 – группа, ха-щая общую разрушаемость механическим способом (вязкость, твердость, хрупкость); 2 – ха-щая разрушаемость пород определенными механизмами (буримость, взрываемость, сопр резанью); 3 – па-ры, оценивающие воздействие породы на инструмент (абразивность) Физико-технические па-ры, описывающие объемный или накопительный процесс, явл скалярными (теплоемкость, плотность). Они не зависят от направления воздействия поля. Остальные па-ры – тензорные, они зависят от направления поля действия и степени ориентации минеральных частиц. Известно более 100 физико-технических па-ов С целью сопоставления разных пород для совместного их рассмотрения, анализа и классификации, выделяют некоторую группу – базовую. К базовой группе отнесены 12 исходных и независимых па-ов. Их опред-е является обязательным (см табл.).
При анализе и расчете механических процессов происходящих в массивах пород при ведении горных работ из широкого ряда физико-технических параметров и физических свойств пород требуются знания плотностных и механических свойств. 5. Механические свойства горных пород Характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп: а) прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам; б) деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками; в) акустические, характеризующие условия передачи породами упругих колебаний; г) реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения; Другие группы мех. св-в представляют в механике горн пород минимальный существенный интерес. |
к нему при перепаде температур в 1оС
)
