книги / Методические указания по определению устойчивости пород в зависимости от их нарушенности на рудных месторождениях

УДК 622.0 И .43

Методические указания по определению коэффициента структурного ослабления при одноосном сжатии дпя оценки устойчивости пдрод в подземных выработках на рудных место­ рождениях. Л ., 1974. (М -во угольной пром-сти СССР,

Всесоюзный науч.-исспед. ин-г горной геомеханики и маркшей­ дерского дела 'В Н И М И ').

В работе изложены методические положения по опейке прочности горных пород при одноосном сжатии в зависимости от структурной яарушенности. Дана методика получения сведений о структурной нарушеяностн пород, предложен рас­ четный способ определения коэффициента структурного ослабпег ния пород при одноосном сжатии, а также рекомендован упро­ щенный способ оценки нарушенности пород по кусковатостж керна и его выходу. Приведены примеры использования м ето­ дики применительно к оценке устойчивости элементов камерных систем разработки месторождений.

'Методические указания' одобрены и рекомендованы к изданию секцией горного давления Ученого совета ВНИМИ и могут быть использованы работниками научно-исследователь­ ских и проектных институтов, занимающимися вопросами горной геомеханики.

Ил. 9, табл. 7, библиогр. 19.

Всесоюзный научно-исследовательский институт горной

геомеханики н маркшейдерского дела 'В Н И М И ' , 1974.

Опыт разработки месторождений-полезных ископаемых пока­ зывает, что для обеспечения безопасности и эффективности под­ земных разработок необходимо правильно оценивать устойчивость горных пород в обнажениях и, тем самым, обоснованно выбирать и рассчитывать параметры систем разработки.

Устойчивость горных пород непосредственно связана с их структурной нарушенностью, обусловленной расчлененностью по­ род системами трещин различного происхождения, различной степенью ослабления пород за счет вторичных, изменений, а так­ же с присутствием на ряде месторождений зон брекчирования

ирассланцевания. Эти зоны создают условия для проявления ползучести, приводящей к преждевременному деформированию

иразрушению выработок. Поэтому, в первую очередь, необходи­ мо уметь предвидеть степень снижения устойчивости пород при воздействии гой или иной комбинации проявления структурной аарушенности и с этой точки зрения оценивать породы место­ рождений на ранних стадиях разработки, стремясь располагать этими данными уже на стадии детальной разведки. Поэтому поиски средств оценки устойчивости пород, выработки критерия, доступного для практического получения данных и обладающего достаточной простотой применения при расчетах несущей спо­ собности параметров систем разработки месторождения, актуаль­

ны.

Широта понятия устойчивости горных пород предопределяет многообразие методик ее оценки применительно к конкретным условиям различных месторождений. Отсутствие единого мето­ дического подхода и критерия оценки затрудняет применение аналогии при выборе параметров систем разработки на различных месторождениях. Актуальным является также поиск критерия устойчивости пород, по которому можно было бы сопоставлять свойства пород для условий различных месторождений. В ка­ честве такого критерия, широко используемого в расчетах пара­ метров систем разработок, принят предел прочности пород при одноосном сжатии. Главным его достоинством является го. что он входит как количественный параметр в расчетные формулы для определения условий сохранения несущей способности пород

в. целиках н подготовительных выработках, а при корреляции с .пределом прочности «а растяжение может быть успешно примёнен и для опенки предельных пролетов камер.

Трудность использования предела Прочности при одноосном сжатии заключается в несоответствии значений прочности, опре­ деленных на образцах небольших размеров, действительной прочности пород в массиве, ослабленном трещинами, которые ие учитываются при испытании образцов.

В настоящей работе излагается способ учета структурной нарушенносгн пород при оценке их прочности на сжатие в мас­ сиве по данным, полученным, как при непосредственном изуче­ нии геологической ситуации в натурных условиях* гак и по кер­ ну скважин при разведке месторождения.

Основное внимание уделено методике обработки результа­ тов испытаний образцов горных пород, изготовленных из керна скважин, и интерпретации результатов. Предложен расчетный метрд определения коэффициента структурного ослабления для приближенной оценки прочности пород при одноосном сжатии.

Поскольку в-практике разработки месторождений часто достаточно бывает оценить относительную степень структурной нарушенносгн.пород на различных участках, предлагается упро­ щенный способ такой оценки по керну скваткин геологического бурения и по данным геологической съемки трещиноватости пород.

Методика учета структурной нарушенносгн пород апроби­ рована при исследованиях физик о—механических свойств горных пород месторождений Печенги и Норильска.

'Указания' составлены ханд. техн. наук Протопопо­ вым И. И.

1.СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГОРНЫХ ПОРОД

ИИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ о д н о о с н о м

СЖАТИИ

1.1. М етоды исследования предела прочности пород при одноосном сжатии

П од структурной нарушенносгью горных поррд понимается их расчлененность трещинами различной протяженности и ориен­ тировки в совокупности с изменчивостью минералогического состава.

Различают два вида структурной нарушенносги /1/:

- структурные ослабления по поверхностям большого про­ тяжения, по которым происходит скольжение одной части де­ формируемого тела массива относительно другой;

- системы структурных ослаблений по площадкам ограни­ ченных размеров, смещенным в пространстве одна относитель­ но другой, т. е» имеющим ступенчатый характер. Подобные системы поверхностей ослабления придают массиву блоковое строение со слабыми связями меж дудостаточно жесткими и прочными блоками.

Здесь рассматриваются элементы структурной нарушеннос­ ги второго типа. Для изучения прочностных свойств массива горных пород используются лабораторные испытания образцов, натурные испытания и крупномасштабные (горные) эксперимен­ ты.

Лабораторные испытания образцов горных пород являются самыми доступными, позволяющими охватить широкий диапазон изменчивости прочностных характеристик в попе месторождении. Они зачастую оказываются единственным способом опенки свойств пород при разведке месторождения по керну скважин. Существенный недостаток лабораторных испытаний сое ток г в том, что они не включают в себя более крупные структурные элементы (например, трещины отдельности) н поэтому полу­ чаемые из опыта средние характеристики нуждаются в поправ­ ках.

При натурных испытаниях в исследуемый объем горзых пород включаются все структурные элементы!.

Натурные испытания также имеют пока ограниченные воз­ можности для массивов пород, представленных блоками разной прочности. Поэтому испытываемый объем не всегда может удовлетворять условию представительности, по которому в нем должно заключаться нс менее определенного' числа структурных элементов (блоков), а технические возможности ограничивают размеры, испытываемых призы /2/. При значительной мощности исследуемых пород и изменчивости прочностных характеристик невозможно охватить испытаниями весь комплекс пород. В этом случае единственным способом является специальный эксперимент для определения прочности целиков с искусственным созданием условий для их разрушения.

В литературе по расчету прочности целиков при их разруше­ нии отсутствуют сведения о разрушающих напряжениях, что сни­ жает достоверность расчетных данных.

И з сказанного следует, что во многих случаях эксперимен­ тальное определение прочности пород практически невозможно без привлечения расчетных способов корректировки лабораторных результатов.

Прочность породы в образце остается исходной величиной при изучении свойств пород массива, поскольку сравнение массо­ вых испытаний разрешает установить степень общности для раз­ личия характеристик пород различных месторождений и обра­ щаться к аналогиям.

Более крупные структурные элементы, не отражаемые испы­ таниями образцов в лабораторных условиях, необходимо учитывать введением дополнительных функций влияния или коэффициентов, устанавливаемых экспериментальным путем.

1.2.Основные структурные элементы

иструктурные модели горных пород

Свойства горных пород зависят от соотношения компонентов минералогического состава и структурно-текстурных элементов.

Минералогический состав оказывает влияние на прочность породы: различное содержание разнопрочных минералов изменя­ ет значение прочности породы независимо от прочих факторов.

Структурно-текстурные элементы пород связаны с взаимо­ отношением минералов и их ориентировкой. К ним относятся слоистость, полосчатость, делимость, кливаж, а также трещино­ ватость различного происхождения (различают микро- и макро­ трещины).

Структурные элементы в совокупности образуют породу ли­ бо как слоистую среду, либо сложенную блоками различных раз­ меров и ориентировки в зависимости от условий их формирования. Внутри слоев или блоков геометрические и прочностные показа­ тели структурных элементов могут быть постоянны, но могут и

■изменяться в различных направлениях. Пространственное распре-1 деление структурныхэлементов в массиве определяет структур­ ную модель пород. Если исследуемый массив состоит из несколь­ ких разновидностей пород, то совокупная модель будет состоять из ряда частных, соответствующих каждой разновидности в от­ дельности.

Существует три типа пород, которым соответствуют три типа структурных моделей:

1 - сплошная порода с постоянными свойствами во всех направлениях (изотропная среда);

2 — слоистые, породы, каждый слой которых может иметь различные прочностные характеристики внутри и на контакте;

3 —породы блочного строения с различными (в общем слу­ чае) прочностными характеристиками блоков.

Породы второго типа могут рассматриваться как компози­ ции пород первого типа. Породы третьего типа, в который вхо­ дит большинство изверженных и метаморфических пород, зани­ мают особое место, так как в них часто наблюдается законо­ мерное изменение свойств, вызванное такими геологическими процессами, как метаморфизм, метасоматоз, предпочтительная ориентировка минералов (делимость) на фоне разнообразного проявления трещиноватости. Эго создает сложный характер рас­ пределения структурных элементов с большим разнообразием их качественных характеристик. Теоретические исследования и об­ ширный фактический материал, обобщенные в специальной геоло­ гической литературе /3, 4, 5/, позволяют представить структур­ ную модель этого типа пород в виде набора структур по мень­ шей мере грех порядков, различающихся геометрическими разме­ рами и характером распределения в них структурных элементов

вимые по размерам с мощностью исследуемых пород (например, рудное тело), отличающиеся закономерным изменением свойств в связи с дифференциацией минералогического состава по уделы ным весам и зональности минерапообразования в процессе мета­ морфизма или метасоматоза; Sn - структуры второго порядка, составляющие структуры первого порядка блоками пород, огра­ ниченных трещинами большой протяженности (до 10 м ), внутри которв1х распределение структурных элементов либо постоянно, ■либоизменяется монотонно. Различие свойств в отдельных бло­ ках резкое, скачкообразное; бдц - структуры третьего порядка образуются системами трещин отдельности — так называемые элементарные структурные блоки, внутри которых обычно прояв­ ляется делимость в мнкрогрещиноватость. Совокупность трех структур создает систему блочной конструкции с неравнопрочны­ ми блоками.

1.3. Проявление структурных элементов при испытании пород на одноосное сжатие

Проявление плоскостей ослабления при испытании образцов выражается .в форме их разрушения /7/. Выделено три основ­ ных, типа разрушения: I - на мелкие части или с образованием одной или двух пирамид. Этот тип характерен для однородных пород при отсутствии плоскостей ослабления. II - скол по плоскости ослабления (трещина, делимость). Плоскость скола гладкая с четкими контурами по образующей образца. Скоп по трещине легко устанавливается визуально, по плоскости дели­ мости характеризуется гладкой поверхностью с ориентировкой минералов породы согласно поверхности скопа..Визуально эти плоскости не проявляются. III - комбинированное разрушение

микротрещнны разрывного характера, то разрушение происходит по первому типу, но отличается тем. что при отсутствии трещин разрушившийся материал представлен, главным образом, мелкой фракцией ( 1 - 3 мм), а при наличии микрогрещин размеры фрак­ ций разрушения увеличиваются /8/.

Установлено, что при натурных испытаниях блоков пород также проявляются формы разрушения грех типов, но плоскос­ тями ослабления являются, в основном, трещины отдельности, которые ие выявляются при испытании образцов. Соотношение прочности по типам разрушения остается примерно таким же как и для образцов.

Влияние минералогического состава по форме, разрушения установить трудно. Можно лишь констатировать, что чем одно­ роднее по составу порода, гем больше вероятность проявления первой формы разрушения и, что при увеличении содержания слабых минералов увеличивается вероятность проявления второй и третьей форм разрушения. Связь изменения разнопрочных минералов с изменением прочности породы может быть уста­ новлена лишь путем определения количественного содержания минералогического состава породы и сопоставления этих данных с полученными значениями прочностных характеристик.

1.4. Среднее, максимальное я предельное значение прочности пород при испытании образцов

При испытании серии образцов, принадлежащих к однород­ ной выборке, результат обычно представляют среднеарифмети­ ческой величиной 6 . Вследствие изменчивости минералогичес­ кого состава и структурно—текстурных элементов пород, сред­ ние величины для одной и той же породы могут существенно изменяться, что затрудняет сравнение результатов испытаний и выбор расчетных значений показателя прочности. Для учета влия­ ния структурных элементов на прочность пород в массиве необ­ ходимо лабораторные .данные корректировать. При этом исход­ ная величина прочности должна быть в максимальной степени свободна от влияния структурных факторов. В качестве такой величины была принята на первом этапе максимальная величина прочности породы в образце, соответствующая первому типу разрушения образца. Преимущество этой величины состоит в том, что она может быть получена путем испытаний пород методом соосных пуансонов, сводящим к мнниму влияние структурных факторов.

Однако изменчивость и этого показателя настолько бывает велика, что заставила ввести понятие среднемаксимапьной проч­ ности, получаемой усреднением максимальных значений прочнос­ ти из ряда испытаний /9/. Таким образом, окончательно не уда­ лось установить показатель прочности, свободный от вдияния структурного фактора, и вопрос о выборе однозначного критерия прочности пород в масштабе образца остается нерешенным.

На практике в ряде случаев достаточно получить макси­ мальную величину прочности. Это привело к необходимости, введения понятия предельной прочности породы в масштабе об­ разца.

Смысл предельного значения прочности пород состоит в том, что в условиях данного опыта, в сипу ее природных свойств, она не может превзойти некоторой конкретной величины. Обо*" снование этого параметра, с точки зрения структуры средних величин, являющейся отражением структуры (в геологическом понимании) горных пород, приведено в /10/. Значение бп опре­ деляется следующими мостей, связывающих п

Для построения графика необходимо получить при испытании пород ряд групп усредненных величин одной разновидности по­ роды, отличающихся друг от друга настолько, чтобы крайние