Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

* L

Y r

15

e-iol

Рис. 9.6. Проявление деформаций упругого последействия в кернах разведочного бурения:

1 — песчаник, глубина 255 м; 2 — песчанистый сланец, глубина 933 м; 3 — песча­ ник, глубина 955 м; 4 —песчаник, глубина 961,5 м

Делением абсолютных значений деформаций Ad на диаметр керна определяются относительные деформации е , _ 1, е 2_ 2, е3_ 3, а делением ДА4_ 4 на базу измерения продольных деформаций определяется е4_ 4. Затем аналогичным образомрассчитываются е7_ 7, е8 _ 8, е9_ 9

и ею-ю* Относительная деформация

О возможностях предложенного метода первоначально судили по результатам лабораторных испытаний. В связи с этим, первой задачей натурных измерений было установить длительность упругого после­ действия в отдаленных от массива кернах и образцах. Такие измере­ ния посредством прибора ПООП осуществлены на буровых разведоч­ ных скважинах (рис. 9.6).

На шахте ’ ’Южная” производственного объединения Ростовуголь опыты по измерению деформаций обратной ползучести проводили в условиях частичной разгрузки призабойной части массива. С этой целью в нижней угольной пачке пласта * 3 Степановский устанавлива­ лись тензометрические репера, позволяющие измерять деформации угольного пласта на базе 30—35 см в направлениях вдоль забоя, по мощности пласта и вглубь массива. Затем ручной пилой вырубали нишу на глубину 0,5 м.

Замеренные при такой разгрузке деформации перпендикулярно к мощности пласта для различного времени суток 19 ч 40 мин, 19 ч 45 мин и 20 ч 10 мин составили соответственно 3,85, 2,96 и 2,94 мм.

Таким образом, в углях после их отделения от массива или при частичной разгрузке массива проявляются значительные деформации упругого последействия. В горных породах, поднятых в виде керна из скважин с глубин около 1000 м, упругое последействие наблю­ дается по истечении многих часов после разгрузки. Что касается ант­ рацитов, то для них по изучению деформаций упругого последействия целесообразно рекомендовать натурные шахтные опыты.

Вметодическом плане такие опыты были проведены В.Г. Лурием

влаве 3 пласта22 шахтоуправления ’ ’Юбилейное” (Кузбасс). Методи­ ка этих экспериментов заключалась в следующем. В конвейерном штреке, на различном расстоянии от лавы в обнажении угольного пласта на базах по 270—280 мм, ориентированных вертикально, гори­ зонтально и под углом в 45° к вертикали, устанавливались репера, а деформации между ними измерялись микронными индикаторами часового типа. Осуществлялся верхний горизонтальный пропил и измерялись деформации массива. Затем делались боковые вертикаль­ ные пропилы и наконец, в некоторых опытах горизонтальные нижние пропилы. При этом часть угольного массива оказывалась полностью разгруженной от горного давления. Некоторые результаты наблюде­ ний приведены в таблице 9.1, из которой видно, что после мгновен­ ной упругой разгрузки массива проявляются значительные деформа­ ции упругого последействия, которые можно использовать для оцен­ ки напряженного состояния угольного массива и его характеристик вязкости и упругости последействия.

Таблица 9.1. Вертикальные (5), горизонтальные (Г) и наклонные (Н) деформации (мм) во времени

10.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ, УПРУГИХ

ИДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ

Для определения прочности горных пород в массиве разработан ряд методов, в том числе основанные на учете макродефектов, геофизиче­ ские, акустическо-механический, по внедрению штампа, разрушением блоков, расчетные.

Метод, основанный на учете макродефектов сводится к изучению корреляционной связи между акустическими и прочностными харак­ теристиками горных пород. Для идеально твердого тела, учитывая его дискретное строение, можно обосновать связь между пределом прочности на сжатие и скоростью прохождения продольных волн исходя из физики разрушения пород и распространения в них упру­ гих волн.

Связь между пределом прочности на сжатие однородного материа­ ла, не содержащего дефектов структуры, и скоростью распростране­ ния продольных волн [37] описывается уравнением типа

где R — предел прочности на одноосное сжатие; р — плотность мате­ риала; 6 — параметр, выражающий нелинейность силы взаимодей­ ствия с расстоянием; спр — скорость продольных волн.

Поры и трещины в каждом элементарном объеме уменьшают си­ лы взаимодействия между монолитными отдельностями, что в конеч­ ном счете предопределяет степень связей на единицу площади и, сле­ довательно, снижает прочность горных пород. Нарушение сплошности создает благоприятные условия для развития сложного напряженно­ го состояния в теле концентрации напряжений на границах дефектов, появления остаточных напряжений.

В практическом плане все дефекты в горных породах можно ус­ ловно разделить на две группы — микродефекты, протяженность или размеры которых меньше обычных размеров образцов, испытывае­ мых в лабораторных условиях (пористость, микротрещиноватость, неоднородность распределения минералов по объему и др.) и вторая

группа — макродефекты, к которым относятся пустоты, инородные включения, слоистость, значительно развитые кливаж, трещинова­ тость и т.д. Они имеют размеры больше размеров образцов или от­ дельностей. Расположение дефектов в горной породе может быть различным, в одном случае макро- и микродефекты расположены хаотически, в другом случае дефекты характеризуются своей направ­ ленностью (например, слоистость системы параллельных кливажных трещин).

Прочностные свойства массива можно определить, если известна прочность образца и найден закон ее изменения в зависимости от макродефектов, т.е. выявлено влияние масштабного фактора.

В случае хаотического расположения дефектов, согласно статис­ тической теории прочности, зависимость влияния размеров исследуе­ мых тел на прочность выразится формулой:

a, b Vi а — константы, зависящие от свойств материала и вида испыта­

от пород, содержащих только хаотические дефекты, является зависи­ мость всех коэффициентов в формуле (10.2) от величины углов а между прикладываемыми силами и поверхностями ослаблений. При наличии в породах одной системы ориентированных дефектов мак­ симальная прочность при сжатии будет при а = 90° и близкая к ней при а = 0°. Минимальная прочность будет при некотором значении угла акр, величина которого зависит от прочностных показателей отдельностей породы и от коэффициента сцепления по трещинам. Обычно этот угол близок к 15°.

Скорость продольной волны и ее затухание также зависят от де­ фектности горной породы. Чем больше объем V испытываемой поро­ ды, тем меньше ее прочность спр. С увеличением объема наблюдается затухание волн.

Следовательно, если знать закономерности влияния дефектности строения горной породы на прочностные и акустические параметры, то можно определить статическую прочность горных пород в массиве акустическим методом.

Для проверки высказанных положений было изучено влияние количества трещин и угла их наклона на прочность при сжатии и ско­ рость продольной волны для пяти типов горных пород (габбро, мрамор, песчаник, известняк, алебастр). Установлено, что прочность и скорость волны в зависимости от количества трещин изменяются аналогично, а в зависимости от угла их наклона неодинаково. Если число систем трещин превышает 3—5, то можно говорить о квазиод-