К. Т. Тажибаев др техн наук, профессор, засл деятель науки кр
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ША. Мамбетов ГЕОМЕХАНИКА Учебник В двух томах Том 1 Основы геомеханики Допущено Министерством образования и науки Кыргызской Республики в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, аспирантов, преподавателей Посвящается 20-летию КРСУ Бишкек 2013 2 УДК 622.02:531 ББК 22.2 М 22 Рецензенты К. Ч. Кожогулов – др техн. наук, чл.-корр. НАН КР, К.Т. Тажибаев – др техн. наук, профессор, засл. деятель науки КР, Б.Ж. Жетигенов – канд. техн. наук Рекомендовано к изданию Ученым советом ГОУВПО КРСУ Мамбетов ША. М 22 ГЕОМЕХАНИКА учебник в х т. Т. 1. Основы геомеханики. Бишкек Изд-во КРСУ, 2013. 138 с. ISBN 978-9967-05-992-4 В учебнике изложены основы геомеханики механические свойства, структурные особенности напряженно-деформированного состояния породного массива, приведены основные методы их изучения. Описан внутренний механизм деформирования и разрушения горных породи породных массивов, дано построение геомеханических моделей, раскрывающих фундаментальные закономерности геомеханических процессов. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки горных инженеров по специальности Геотехнология, Физические процессы горного и нефтегазового производства. М 1603010000-13 УДК 622.02:531 ББК 22.2 ISBN 978-9967-05-992-4 © ГОУВПО КРСУ, 2013 ВВЕДЕНИЕ Предмет геомеханики Геомеханика как раздел механики (науки о движении материи) занимается изучением движения земной коры (литосферы, точнее, изучением механических свойств горных породи породных массивов, слагающих земную кору, и механических процессов в земной коре под воздействием различных природных сил (гравитации, температурного поля Земли и др, в том числе под воздействием инженерной деятельности человека в виде горных и строительных работ. В зависимости от вида и места этой деятельности выделяются горная геомеханика, изучающая последствия горных работ, и механика грунтов, изучающая последствия строительных работ на поверхности. Механика грунтов занимается изучением механических свойств грунтов и грунтовых массивов и механических процессов, возникающих в них при производстве строительных работ на поверхности или вблизи поверхности. Следует заметить, что изучением аналогичных проблем занимается также инженерная геология. Горная геомеханика или геомеханика, занимается изучением механических свойств горных породи массивов и механических (геомеханических) процессов, возникающих в них при производстве горных работ. Для механики горных породи механики грунтов не существует строгого разграничения по объектам изучения более существенное различие состоит в методах изучения и модельном представлении механических процессов. Геомеханику следует рассматривать как прикладной раздел механики вообще. В тоже время она является одним из фундаментальных разделов горной науки. Объектом геомеханики является породный массив, механическое поведение массива под воздействием внешних сила именно, механические процессы, происходящие в массиве, связанные с проведением в нем горных выработок. Ни один проект разработки месторождений, строительства гидроэлектростанций, тоннелей, подземных хранилищ не обходится без рассмотрения основных вопросов геомеханики с предварительным проведением исследований еще на стадии геологоразведочных и изыскательских работ. Практика горного дела выдвигает перед геомеханикой сложные и ответственные задачи, связанные с обеспечением максимальной безопасности горных работ и определением оптимальных параметров ведения разработок, те. ведения их с максимальным экономическим эффектом, нов тоже время при достаточно высокой надежности и предотвращении либо предвидения и локализации вредных проявлений геомеханических процессов. Общая методология геомеханики состоит в широком использовании и анализе натурных наблюдений с одновременным привлечением методов моделирования и аналитических исследований на базе теоретических положений из основных разделов механики, математических и физических аналогий. Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и умений, необходимых для самостоятельного творческого решения задач по оценке геомеханического состояния породного массива и горнотехнических объектов при освоении ресурсов недр. Ее изучение происходит путем прослушивания курса лекций, выполнения лабораторных и практических работ с последующим закреплением полученных знаний при курсовом проектировании и прохождении производственной практики. В результате студент должен знать общие закономерности деформирования и разрушения породного массива, его напряженно-деформированного состояния приведении горных работ, основные методы определения механических свойств пород, оценки геомеханического состояния породного массива и управления этим состоянием. Студент должен уметь, пользуясь нормативными документами или применяя специальные методы, оценивать напряженно-деформированное состояние пород, вмещающих горнотехнические объекты, прогнозировать устойчивость горных выработок, научно обосновывать методы и способы управления горным давлением. Он должен владеть профессиональной терминологией, основными нормативными документами, метрологическими правилами и стандартами. Основные понятия и определения Горные породы – естественные минеральные агрегаты более или менее постоянного состава, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных литологических разностей. Литологическая разность – часть земной коры, сложенная одноименной горной породой. Породный массив (массив горных пород) – связанная часть земной коры, сложенная одной или несколькими литологическими разностями, в пределах которой локализуются все механические процессы, обусловленные горными работами. Образец горной породы – часть горной породы, изъятая из естественно залегающей литологической разности для экспериментального определения ее свойств, размеры которой больше элементарного объема горной породы. Элементарный объем горной породы – фундаментальное понятие в геомеханике наименьший объем горной породы, который сохраняет все ее свойства. Соответственно площадь сечения элементарного объема – элементарная площадка, линейный размер – элементарная длина. Объемы породы меньше элементарного обладают физическими свойствами, отличными от свойств горной породы. Образец породного массива – часть породного массива, изъятая из естественного залегания для экспериментального определения его свойств, технически доступные размеры которой обычно меньше размеров экспериментального объема породного массива. Элементарный объем породного массива – наименьший объем массива, который сохраняет все его свойства. Судя по определению технически доступного образца породного массива, его свойства не дают возможности составить представления о свойствах массива в целом. В геомеханике под свойствами горных породи породных массивов имеются ввиду механические свойства деформируемость и прочность. Механические свойства горной породы – это класс физических свойств, характеризующий поведение горной породы в условиях различных механических воздействий. Механические свойства образца горной породы – это механические свойства части горной породы, изъятой из естественно залегающей литологической разности и имеющей размеры не менее элементарного объема горной породы. Механические свойства породного массива – это класс физических свойств, которые характеризуют поведение массива в условиях различных механических воздействий и которые, как правило, не могут быть определены как механические свойства технически доступных образцов массива. Механические свойства образца породного массива – это механические свойства части массива, изъятого из естественного залегания и имеющего размер обычно меньше элементарного объема. Изучение механических свойств горных породи массивов является вспомогательной задачей в геомеханике, основная задача – изучение геоме- ханических процессов. Геомеханическое состояние – это совокупность показателей, характеризующих деформируемость, прочность и устойчивость массива при определенном силовом воздействии, те. характеризующих уровень развития гео- механических процессов деформирования, перераспределения напряжений и разрушения. ГЛАВА 1. ПОРОДНЫЙ МАССИВ И ЕГО СТРУКТУРНО- МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ 1.1. Краткие сведения о строении Земли и земной коры По современным представлениям на основании сейсмических исследований, в Земле выделяют кору, верхнюю и нижнюю мантию, внешнее и внутреннее ядро (рисунок 1). Рисунок 1. Строение Земли а – схема б – скорость поперечных и продольных волн V p на различной глубине в – плотность по глубине В результате геологических разведок удалось определить строение и состав Земли на глубину более 10 км. Глубже строение и состав Земли пока установлены только косвенными методами. Так, масса Земли считается равной 5,98·10 27 г. По массе и объему Земли была определена средняя ее плотность – 5,52 г/см 3 . Плотность веществ, наиболее часто встречающихся на поверхности Земли, в среднем составляет около 2,7 г/см 3 , что значительно меньше средней ее плотности. Следовательно, недра Земли сложены веществами, имеющими плотность значительно больше, чем 5,52 см рисунок 1). По существующим данным, земной шар может быть подразделен наряд концентрических сфер (оболочек, как бы вложенных друг в друга. Эти сферы называются оболочками Земли или геосферами (рисунок а. Можно выделить наружные геосферы, доступные изучению – атмосферу, гидросферу, биосферу и земную кору, и ряд внутренних, границы раздела между которыми выделены порез- ким скачкообразным изменениям скоростей распространения сейсмических волн, изменения упругих характеристик плотности вещества (рисунок 1б,в). Земная кора обладает довольно резко изменяющейся мощностью и непостоянным строением. В пределах литосферы (земной коры) отмечают горизонтальную структурную зональность. Возникновение горизонтальной зональности связано со всей геологической историей формирования оболочек Земли, насчитывающей 4,5–5 млрд лет. В литосфере выделяются структурные элементы различных порядков – глубинные и коровые тектонические структуры глобальные (планетарные, региональные, глыбовые и блоковые. Глубинными структурами первого порядка являются континенты и океанические области земной коры. Структуры второго порядка – подвижные геосинклинальные пояса и относительно устойчивые платформы, щиты. Эти две структуры имеют линейные размеры, исчисляемые тысячами километров. Сетью пересекающихся глубинных разломов более низких порядков – третьего и четвертого, относимых к региональным, литосфера разделена на планетарные, глыбы, пластины, линзы и клинья. Разломы более низких порядков – коровые разрывы, не выходящие из пределов земной коры, планетарные глыбы земной коры расчленены на блоки. Коровые тектонические структуры образуют складчато-разрывные деформации различных порядков, имеющие линейные размеры по простиранию максимально до десятков, иногда нескольких сотен километров. В пределах глыб и блоков земной коры имеют развитие плавные и пликативные деформации соответствующих порядков – складчатость и волновые изгибы, те. земная кора имеет глыбово-волновое строение. По характеру строения в земной коре выделяют континентальную, океаническую и переходную области. К континентальной, кроме собственно территории континентов, относятся материковая отмель (шельф) и острова континентального типа. К переходной – континентальный склон, окраинные моря, глубокие внутренние моря и островные дуги вдоль многих океанических границ. Площадь континентов 148,9 млн. км, океанов и морей 361,4 млн км 2 Мощность континентальной коры составляет в среднем 35–40 км, уменьшаясь до 20 км и возрастая до 75–80 км на отдельных участках (рисунок 2). Осадочный слой слагают различные по составу осадочные горные породы глины, суглинки, пески, галечники, известняки и др, прерывистым чехлом покрывающие земную кору с поверхности. Мощность их варьирует от 0 до 10– 15 км при среднем значении около 3 км средняя плотность – 2,5–2,6 г/см 3 Гранитный слой развит в земной коре неравномерно. Его мощность увеличивается от древних к молодым континентами наибольшей величины (50–80 км) достигает в зонах молодых горных сооружений (западные Альпы, Памир. Гранитный слой практически отсутствует или очень мал (0,4–0,5 км) под океанами. Средняя плотность 2,6–2,7 г/см 2 Граница Конрада, определяемая ростом плотности пород (от 2,7 до 2,9 г/см 3 ), отделяет гранитный слой от нижней части земной коры – базальтовой постели. Базальтовый слой на территории равнин достигает 20–30 км, в районе молодых гор – 15–20 км, а под океанами – 5–6 км. Первая граница раздела находится на границе 60–80 км и называется разделом Мохоровичича. Выше лежит земная кора (А) – твердая внешняя геосфера, являющаяся основным объектом изучения геомеханики. Ниже поверхности Мохо находится мантия. Она распространяется до глубины 2900 км. В мантии построению, составу, свойствам сейчас выделяют три слоя. Слой Гутенберга (В) до глубины 200–400 км, слой Голицина (С) – до 700–900 км и слой (Д) до 2900 км. Слои В и С входят в состав верхней мантии, содержащей кроме кислорода и кремния еще и магний, средняя плотность ее вещества – от 3,2 до 4,5 г/см 3 В пределах слоя В выделяют астеносферу (волновод или пояс размягчения пластичный разуплотненный слой вещества, находящийся между 100– 200 км под материками и 50–400 км под океанами. Как менее плотный, материал волновода стремится всплыть. Полагают, что он состоит из на 25 % изба- зальта, выплавленного из перидоититого вещества слоя В на долю жидкой фазы в волноводе приходится до 10% общего объема его массы. Жидкий базальт, концентрируясь у гребней выступов волновода, образует крупные скопления (астенолиты), которые при нарушении изостатического равновесия вокруг Земли могут отрываться от него и внедряться в земную кору или изливаться на ее поверхность. Следовательно, именно в слое В зарождаются очаги вулканов, землетрясений, связанных с перемещением глубинных масс, фокусы которых обнаруживаются до глубины 700–800 км. Ниже астеносферы в пределах слоя В на глубинах более 200 км находится слой с повышенной вязкостью. Его сменяет слой С – переходная зона, в которой возрастает плотность пород, скорости сейсмических волн достигают максимальных значений. Центральное ядро – с глубины 2900 км до центра Земли – состоит, по- видимому, из никеля и железа. В пределах ядра выделяется жидкая внешняя оболочка до глубины 5100 км (слой Е – внешнее ядро, ас глубины 5100 км – внешняя часть – твердое ядрышко. Большая плотность вещества в ядрышке может быть объяснена тем, что под влиянием больших давлений р = 350·10 9 Па у некоторой части атомов должно произойти разрушение электронных оболочек и срыв электронов. Рисунок 2. Строение земной коры I океаническое дно II – прогиб III – платформа IV – горная область V – глубоководные впадины 1 – вода 2 – ил 3 – консолидированные осадки 4 – кислые породы (гранит 5 – основные породы габбро 6 – подкоровая среда (ультраосновные 7 – скорости продольных волн Границы между слоями весьма условны и слабо выражены вследствие их взаимного перехода, смещения и замещения как по площади, таки вглубь Земли. В состав континентальной коры входит ряд слоев (таблица 1), условно разделяемых на верхний (гранитный) и нижний (базальтовый. Выявлена значительная неоднородность континентальной коры в горизонтальном направлении и ее блоковый характер. Таблица 1 – Обобщенная модель земной коры Глубина, км Состав Плотность, г/см 3 Скорость продольных волн, р, км/с Наименование слоев существующие предполагаемые Осадочные породы 2,5 2,5−5,0 Осадочный 5 Породы типа зеленых сланцев 2,8 - 10 Гнейсы (50 %) Граниты (50 %) 2,7 5,5−5,8 Гранитный Гранито- гнейсовый Граниты 2,6 --- 15 Граниты (50 %) Породы гранитовые (50 %) 2,8 20 Породы гранулитовые и интрузии габбро 2,9 6,4−7,3 Гранулито- вый 30 Смесь эклогитов с породами гранулитовыми 3,3 7,4−8,0 Базальтовый Перидотит 3,3 7,8−8,5 Верхняя мантия 1.2. Характеристика породного массива Под породным массивом следует понимать связанную часть земной коры, сложенную одной или несколькими литологическими разностями, в пределах которой локализуются все механические процессы, обусловленные горными работами. Породный массив полностью характеризуется тремя категориями показателей составом, состоянием, свойствами (рисунок 3). Под составом породного массива подразумевается совокупность слагающих его частей, элементов. Поскольку породный массив – среда с ярко выраженным масштабным фактором, то и состав его качественно и количественно различен на различных масштабных уровнях. Следуя от общего к частному, вначале рассматриваются литологические типы (разности) пород, слагающие разрез месторождения или его участок. На начальных стадиях изучения месторождения выделение литологического состава породного массива оказывается достаточным для предварительной оценки других показателей. Петрографический состав породного массива или отдельных литологиче- ских разностей определяет свойства образцов и во многих случаях свойства массива. Последнее относится к случаям, когда масштабы геомеханических процессов не выходят за пределы литологической разности массива. Минералогический состав породного массива (вернее, литолого- петрографических разностей массива) в общем случае имеет меньшее значение для большинства геомеханических процессов. Однако знание его обязательно, так как во многих случаях этот показатель в комплексе с другими позволяет находить правильные ответы на поставленные вопросы (например, при оценке дробимости пород, удароопасности и др. Рисунок 3. Характеристика породного массива Состав горных пород при кристаллическом уровне при инженерно-геоло- гических исследованиях для обеспечения задач геомеханики обычно не рассматривается. Состояние породного массива определяется воздействием физических полей различной природы (силовых, геометрических, гидрогеодинамических). Соответственно, можно выделить следующие основные разновидности состояния породного массива напряженное, деформированное, обводненное (необводненное), мерзлое (немерзлое), связное (несвязное, естественное (или нарушенное какими-либо работами. Напряженное состояние породного массива на момент изучения является следствием силовых полей, воздействию которых подвергался участок земной коры за всю геологическую историю развития. Деформированное состояние породного массива является следствием взаимодействия полей напряжений и свойств массива. И это состояние на момент наблюдений следует считать интегральной картиной множества геологических процессов, следовавших и накладывавшихся один на другой. Внешними проявлениями деформированного состояния массива в основном являются складчатые и разрывные структуры различного масштабного уровня. Обводненность массива – одно из характерных его состояний. Обводненность отрицательно влияет на многие горные сооружения. Проявляется это влияние, прежде всего, в виде уменьшения прочности обводненных пород. Многие глинистые породы при водонасыщении изменяют свои свойства приобретают подвижность, набухают, разуплотняются), что также усложняет проведение горных работ. Геокригенное (вечномерзлое) состояние породного массива широко распространено на значительных территориях и играет там существенную роль при формировании и ходе геомеханических процессов. Степень связности породного массива может быть отнесена к важнейшей характеристике его состояния. Породные массивы в первом приближении могут быть разделены на связные (монолитные) и несвязные (сыпучие. Чередование горных пород с различным минеральным составом образует слоистость и полосчатость массива. Слои пород между плоскостями ослабления называют пластовой отдельностью. Важной характеристикой массива являются тектонические условия залегания горных пород тектонически ненарушенные, моноклинальные, простого складчатого строения без существенных разрывов сплошности и сложного складчатого строения с сильно развитыми разрывными дислокациями рисунок. Рисунок 4. Основные типы тектонического строения породного массива а – тектонически ненарушенные б – моноклинальное залегание в – простое складчатое строение г – сложное складчатое строение Физические свойства породного массива обусловлены свойствами слагающих его слоев, их мощностью, тектоническим строением, газоносностью, гидрогеологическими условиями, изменчивостью этих факторов, процессами выветривания вышележащих слоев. Слоистый массив, сложенный изотропными слоями, проявляет анизотропию свойств. |