К. Т. Тажибаев др техн наук, профессор, засл деятель науки кр
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
3.4. Особенности естественного напряженного состояния грунтовых массивов Грунтовые массивы, представляющие верхние слои коры выветривания литосферы, сложены в основном песчаными и глинистыми грунтами. Гравитационная составляющая нормальных напряжений по горизонтальным площадкам в грунтовых массивах определяется выражением σ z = Ни почти не искажается под влиянием других факторов, те. коэффициент λ можно положить равным единице. При оценке гравитационной составляющей необходимо учитывать также давление грунтовых вод. Естественное напряжение по вертикальным площадками общие закономерности формирования естественного напряженного состояния зависят в основном от типа слагающих грунтов. В галечных, гравелистых и песчаных грунтовых массивах можно считать, что х у и определяется выражением ха естественное напряженное состояние является неравнокомпо- нентным. В глинистых грунтовых массивах можно считать х у = 1 и соответственно равнокомпонентное естественное напряженное состояние. 3.5. Гидростатические напряжения в породном массиве Породный массивна тех уровнях, которые доступны для разработки полезных ископаемых, часто обводнены. Жидкость в породных массивах присутствует как в виде свободной и гидравлически связанной, таки новой. В обоих случаях в массиве возникают дополнительные напряжения, обусловленные весом столба жидкости, взвешивающим эффектом жидкости, поровым давлением. Исходя из этого можно считать, что если напряжения (без тектонических) в массиве выше уровня подземных вод определяются равенствами τ z = Них Н, что ниже этого уровня, то полное вертикальное напряжение будет определяться зависимостью σ z = э Н , (74) где э – исходное эффективное напряжение, численно равное реакции скелета пород на горизонтальной площадке Н – исходное нейтральное давление жидкости, под которым в общем случае понимается как гидростатическое давление на рассматриваемой площадке, таки внутрипоровое давление. Эффективное напряжение может быть определено из выражения э = γ w Н + γ (Н-Н 0 ), (75) где γ w – средний объемный вес пород над точкой, находящейся ниже начального уровня подземных вод Н Н – общая глубина точки γ – средний объемный вес пород выше уровня подземных вод γ w = (∆ - 1) (1-n), (76) где ∆ – удельный вес породы n – пористость породы. Нейтральное давление жидкости Н = в Н, (77) где в – объемный вес жидкости. 60 3.6. Экспериментальные методы определения напряжений нетронутого породного массива Комплекс методических приемов по определению напряжений включает в себя в первую очередь анализ геологического строения, тектоники и сейсмичности района. В толщах осадочных пород, не подвергнутых метаморфизму, естественное напряженное состояние определяется лишь действием гравитационных сил. В массивах же пород кристаллического фундамента, как правило, наблюдаются проявления тектонических сил. На стадии анализа условий района и породного массива делают предположения о возможных полях напряжений и о вероятном направлении действия наибольшего главного сжимающего напряжения. Метод геодинамического районирования (ИМ. Петухов, ИМ Батугина), прогнозирование поэтапной и зональной оценки (ША. Мамбетов) на основе представления о закономерностях формирования напряженного состояния района месторождения позволяет оценивать естественное напряженное состояние породного массива на стадии проектирования, строительства и отработки месторождения. Метод геодинамического районирования заключается в выделении границ подвижных тектонических блоков, определении вида их динамического воздействия и оценке тектонических напряжений в каждом блоке. Сущность принципа зонального и поэтапного прогнозирования заключается в гелогической оценке состояния породного массива в пределах складчатой зоны, затем горно-геологической оценки в пределах месторождения, и наконец, в горно-геологической оценке вблизи горной выработки (рисунок 36). Следующий этап комплекса предусматривает визуальное обследование имеющихся горных выработок, которое благодаря своей оперативности позволяет получить большой объем исходной информации в короткие сроки. При этом наблюдениями должны быть охвачены горные выработки, располагающиеся в различных участках массива, сточки зрения слагающих породи структурных особенностей. За визуальным обследованием следует этап инструментальных определений напряжений геофизическими, затем деформационными методами. Например, для геоакустических измерений в пределах изучаемого массива выбирают характерные места, где оборудуют наблюдательные станции, состоящие из шпуров или скважин в стенках и кровле выработки (минимум потри шпура в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Типовые схемы наблюдательных станций приведены на рисунке 37. Геоаукстические измерения позволяют получить обычно ориентировочную оценку действующих напряжений. Однако их высокая производительность дает возможность сравнительно быстро провести измерения во многих точках массива, получив характеристики изменчивости поля напряжений. Для более же точных определений на заключительном этапе комплекса используют метод разгрузки. Измерения методом разгрузки выполняют не менее чем в двух скважинах, ориентированных по направлениям главных напряжений, установленным предшествующим анализом. В целях контроля обычно проводят измерения также ив третьей скважине, ориентированной по направлению третьего главного напряжения. Первый этап Геологическая оценка Устанавливается азимут направления тектонических напряжений путем реконструирования осей напряжений по элементам крупных складок и разрывных нарушений в пределах складчатой зоны Долгосрочное прогнозирование в пределах тектонической единицы – складчатой зоны Второй этап Горногеологическая оценка Определяется погоризонтно азимут направления тектонических напряжений путем рекон- струирования осей напряжений по элементам складок и различных нарушений в пределах месторождения в период разведочных работ устанавливаются зоны влияния рельефа привлекаются другие методы определения напряжений в породном массиве по необходимости Среднесрочное прогнозирование в пределах месторождения Третий этап Горно-технологическая оценка С учетом предыдущих оценок могут быть применены структурные, сейсмические, деформационные, электромагнитные, радиометрические методы оценки состояния породного массива - применяются методы контроля изменения напряжений вблизи горной выработки Краткосрочное прогнозирование вблизи горных выработок Рисунок 36. Схема применения принципа поэтапного прогнозирования породного массива Рисунок 37. Схема измерения акустических параметров в породном массиве на наблюдательных станциях а – расположение шпуров по кругу б – расположение шпуров в виде треугольника в – результатами геоакустических измерений являются индикаторы скоростей в плоскости кровли и стенок выработки Для определения параметров естественного поля напряжений стремятся осуществить измерения за пределами влияния выработки, из которой проходят измерительные скважины. При обобщении результатов измерений применяют статистико-вероятностный метод оценки значений. 62 3.7. Определение напряжений методом разгрузки Метод разгрузки основан на использовании характеристик упругого восстановления элемента породного массива при искусственном нарушении его связи с окружающим массивом. Сущность его заключается в замере деформаций упругого восстановления этого элемента и последующим вычислении напряжений по формулам разгрузки (рисунок 38): измерение деформаций торца выбуриваемого керна (схема ВНИМИ); измерение деформаций стенок центральной скважины (схема Лимана измерение радиальных перемещений стенок центральной скважины схема Каста. Наиболее широко применяется метод разгрузки по схеме ВНИМИ, так как две другие схемы по своему исполнению более трудоемки. Рисунок 38. Схемы измерения напряжений методами полной разгрузки (I – ВНИМИ; II – Лимана III – Каста 1 розетка сдатчиками датчики, 3 деформометр, 4 – провод При измерении деформаций по схеме ВНИМИ, например, главные напряжения вычисляются последующим формулам при использовании четырех- датчиковой розетки σ max = ЕЕ Е Q = √ , (78) где σ max и σ min – наибольшее и наименьшее главные напряжения в плоскости торца измерительной скважины τ max – наибольшее касательное напряжение в той же плоскости угол между σ max (или σ min ) и осью датчика с индексом 1; ; ; ; – относительные деформации по показаниям датчика с индексами соответственно 1, 2, 3, 4; Е и μ – модуль упругости и коэффициент поперечных деформаций породы. Технические средства метода разгрузки включают следующие элементы буровые станки (ГП-1, БСК-100А, НКР) и буровые приспособления (буропневмомашинка для шлифовки забоя, алмазная, зачистная коронки, с помощью которых проводится бурение измерительной скважины определенной формы и чистоты 63 измерительную аппаратуру, состоящую из приборов для регистрации деформаций (тензометрическая станция, блок питания, тензометрический патрон с кабелем досылочно ориентирующее устройство и приспособление для установки деформометров, сушки забоев и стенок скважины. Точность определения напряжений методом разгрузки зависит от погрешности определения исходных величин деформаций разгрузки, модуля упругости и коэффициента Пуассона в образце. ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 4.1. Особенности минерального строения, сведения о классификации горных пород Горные породы представляют минеральные агрегаты, составленные чаще всего из нескольких минералов (полиминеральные) и реже из одного (мономи- неральные). Несмотря на огромное многообразие природных минералов, в формировании механических свойств горных пород существенную роль играют наиболее распространенные в земной коре породообразующие минералы, которых насчитывается немногим более двадцати. Если расположить их в порядке убывания прочности и увеличения деформируемости, можно выделить четыре группы породообразующих минералов кварцевые, силикатные, карбонатные и глинистые легкорастворимые. Соответственно горные породы, составленные из этих минералов, будут обладать различными механическими свойствами наибольшей прочностью и наименьшей деформируемостью будут обладать горные породы, составленные из кварцевых минералов, например, кварциты, кремнистые песчаники. Помимо минерального состава, механические свойства горных пород существенно зависят от их строения, важнейшими признаками которого являются структура и текстура горных пород. Под структурой понимается степень кристаллизации пород, размеры, форма минеральных зерен и характер связи между ними. По степени кристаллизации пород можно выделить структуры полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые, обломочные. Прочность пород обычно уменьшается с увеличением степени кристаллизации. По размерам минеральных зерен выделяются структуры от гигантозернистых с размерами зерен свыше 100 мм (слюдяные пегматиты) до 1 мм (алевролиты). Мелкозернистые структуры обладают более высокой прочностью и меньшей деформируемостью. Существенную роль при формировании механических свойств играет характер структурных связей между минеральными составляющими ив первую очередь, состав цементирующего вещества, который целесообразно привести в порядке убывания его прочностных свойств кремнистый, железистый, известковый, глинистый и т.д. Под текстурой понимается взаимное расположение структурно-однотипных частей породы. Текстура породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. Упорядоченная текстура формирует анизотропию механических свойств пород, те. различие их показателей в зависимости от направления силового воздействия. Приведенные петрографические классификации послужили основой построения наиболее общей геомеханической классификации горных пород, которая широко применяется в инженерной деятельности и делит горные породы на четыре класса. I. Твердые, в которых минеральные частицы жестко связаны между собой, обычно с помощью цементирующего вещества, что обеспечивает сохранение формы (граниты, базальты, песчаники, известняки, аргиллиты, алевро- литы. 65 II. Связные, или пластичные, в которых минеральные частицы связаны водно-колоидной связью, что изменяет степень их пластичности при насыщении водой (глины, слабые глинистые сланцы, суглинки, бокситы. III. Раздельно-зернистые, или сыпучие, в которых связь между минеральными частицами отсутствует или ничтожно мала (пески, гравийно-галечные отложения, искусственные отвалы пород. IV. Текучие, в которые минеральные частицы разобщены водой и способны перемещаться с этой водой (насыщенные водой пески, глины или суглинки. В горном деле наибольшее распространение получила геомеханическая классификация горных пород по коэффициенту крепости ММ. Протодьяконова: f = сж , (79) где σ сж – предел прочности горных пород на одноосное сжатие, МПа. Все породы разделены на 10 категорий I и II категории – породы высшей крепости с f>15 (кварциты, базальты, граниты); III и IV категории – крепкие породы с f = 8–15 (песчаники, известняки V категория – породы средней крепости с f = 3÷8 (крепкие глинистые сланцы, некрепкие известняки и песчаники, конгломераты VI и VII категории – мягкие породы с f= 0,8÷2 (мягкие сланцы и известняки, соли, уголь, глины VIII и X категории – землистые, сыпучие и плывучие грунты с f = 0,3÷0,6. 4.2. Полные диаграммы деформирования горных пород Силовое воздействие на исследуемый образец породы вызывает в нем деформации, распространяющиеся от одной точки к другой и обеспечивающие, таким образом, передачу сил по всему объему. С помощью полных диаграмм напряжение – продольная деформация, напряжение – поперечная деформация изучаются особенности характера деформирования пород (рисунок 39). Рисунок 39. Полные диаграммы деформирования пород В процессе эксперимента по одноосному сжатию породных образцов обычно фиксируются только внешние проявления внутреннего механизма в виде усредненных по поперечному сечению продольных нормальных напряжений и продольных линейных деформаций и усредненных по продольному сечению поперечных деформаций . Под линейными деформациями понимаются относительные удлинения или укорочения соответственно линейных размеров образцов. Приросте деформаций образца под действием внешних сил от нуля доне- которого значения ׀ происходит закрытие имеющихся в породе дефектов пор, трещин, что обуславливает нелинейный характер участков диаграмм Оа и Оа С увеличением сжимающихся напряжений σ 1 , начиная с нуля и до уровня а, экспериментальные зависимости σ 1 ( ׀ ) и σ 1 ( ׀ ) имеют нелинейный характер. Коэффициент поперечной деформации β, равный отношению ∆ ∆ " , где ∆ – приращение соответствующих деформаций (противоположных по знаку в продольном направлении положительные деформации укорочения , в поперечном отрицательные деформации удлинения ), возрастает до постоянной величины, так как в первую очередь закрываются трещины, ориентированные по нормали к внешней сжимающей нагрузке. При этом объем образца уменьшается в результате его уплотнения, те. объемная деформация Q, равная в первом приближении + 2 , будет деформацией уплотнения. Начиная с уровня напряжений аи до уровняв экспериментальные зависимости) и σ 1 ( ) приобретают линейный характер – наблюдается упругое сжатие минерального скелета горной породы. Коэффициент поперечной деформации β<0,5 и остается постоянным, те. имеет смысл коэффициента Пуассона. Объем образца уменьшается. На уровне напряжений в экспериментальная зависимость σ 1 ( ) отклоняется от линейной при сохранении линейного характера для зависимости σ 1 ( ) – начинается образование и последующее раскрытие микротрещин, в первую очередь параллельных продольной оси образца. Это объясняет преобладающий и увеличение коэффициента поперечной деформации β. До уровня напряжений с процесс трещинообразования будет устойчивым, те. трещинообразование останавливается при отсутствии увеличения внешней нагрузки, а при снятии нагрузки трещины закрываются. При увеличении напряжений отв до с уменьшение объема образца замедляется. Как только уровень напряжений сбудет превышен, начинается процесс неустойчивого трещинообразования, развитие трещин приобретает неустойчивый лавинообразный характер, те. продолжается даже при отсутствии приращений внешней нагрузки, так как раскрытие продольных трещин уменьшает нагруженное поперечное сечение образца и, следовательно, увеличивает действующие на другие трещины напряжения, поддерживая их развитие до пересечения или слияния с продольными трещинами вплоть до образования магистральных трещин и разрушения образца. Продолжительность процесса лавинообразного трещинообразования от его начала до разрушения образца зависит от уровня действующих напряжений в интервале от с до σ 1d . Уровень напряжений с является еще недостаточным для реализации процесса, иными словами разрушение образца не будет наблюдаться даже по истечении бесконечно длительного промежутка времени. Уровень напряжений с трактуется как предел длительной прочности горных пород на одноосное сжатие σ сж∞ При напряжениях σ 1 > σ сж∞ разрушение наступает через определенный промежуток времени, величина которого сокращается с увеличением напряжений, и разрушение происходит практически мгновенно при уровне напряжений σ 1d , который трактуется как предел мгновенной прочности горных пород на одноосное сжатие σ сж В интервале напряжений от с до σ 1d экспериментальная зависимость σ 1 ( ), также как и зависимость σ 1 ( ), становится нелинейной. При этом поперечные деформации растут быстрее продольных , в результате чего коэффициент поперечной деформации β увеличивается. Начиная с уровня напряжений с, соответствующего пределу длительной прочности σ сж∞ , наблюдается тенденция к увеличению деформируемого объема горной породы, так называемая дилатансия. Напряжения σ 1d соответствуют предельной несущей способности породного образца и предельному участку деформирования, а участок Оавcd на диаграмме деформирования представляет допредельный участок деформирования. Продолжая эксперимент в режиме заданных деформаций, можно построить запредельный участок деформирования. Так, на участке dl увеличению деформации ״ соответствует уменьшение несущей способности σ 1 породного образца до некоторого минимального значения σ 1l , называемого остаточной прочностью горных пород. Уменьшение несущей способности образца является результатом продолжающегося процесса его разрушения в режиме заданных деформаций, сопровождающегося ростом магистральных трещин, разделением образца на части и превращением его в кусковатую породную массу с остаточной прочностью. В интервале напряжений от σ 1α до σ 1l наблюдается преимущественный рост поперечных деформаций , что вызывает увеличение коэффициента поперечной деформации β до значений, больших единицы. Иными словами, уменьшение несущей способности сопровождается процессом дилатансии – увеличением объема образца. На участке остаточной прочности с увеличением деформаций несущая способность образца остается практически постоянной. Объем разрушенного образца также почти не меняется в процессе его деформирования. Экспериментальные диаграммы деформирования в виде зависимостей σ 1 ( ״ ) и σ 1 ( ) представляют так называемые полные диаграммы деформирования горных пород, включающие допредельные, предельные и запредельные участки деформирования. В точке l происходит разделение исследуемого образца на отдельности руины, а потому дальнейшее его деформирование при одноосном сжатии становится невозможным. В условиях объемного напряженного состояния при боковом обжатии деформирование породы, расчлененной на отдельности, происходит без дальнейшего изменения объема. Полная диаграмма может быть разделена натри характерные области, соответствующие различным сжатием деформирования допредельная (od), запредельная) и область руинного разрушения (lk). Возможность перехода деформирующихся пород в различные состояния вызывает необходимость изучения механических свойств горных пород в зависимости от состояния, в котором находятся. |