книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

ПРЕДИСЛОВИЕ

В технологии горного производства, при решении вопросов, связан­ ных с проведением и охраной горных выработок, проектированием горных предприятий, добыванием полезных ископаемых, существен­ ное значение (порою определяющее) имеют свойства и состояние гор­ ных пород в массиве. Именно по этой причине способы их определе­ ния как в натурных, так и лабораторных условиях, приближающихся к натурным, приобретают особое значение.

Понятие свойства горных пород далеко не однозначно. Оно не может определяться только прочностью и деформируемостью при одноосном нагружении. В понятие свойства горных пород включают­ ся также их твердость, плотность, акустические, электрические, гаммаметрические и иные физические характеристики, критическая скорость деформирования, ответственная за разрушение пород при динамическом нагружении, и ряд других характеристик.

На свойства горных пород в условиях их естественного залегания существенно влияет их состояние, предопределяемое давлением вы­ шележащих горных пород, перераспределением напряжений, вызы­ ваемых ведением горных работ, тектоническими нарушениями, влаго- и газонасыщенностью месторождения, трещиноватостью и слоис­ тостью пород, контактными условиями и рядом других характерис­ тик состояния, значительно меняющихся в границах разрабатываемо­ го шахтного поля.

Отдельно стоят вопросы скорости деформирования (отличные от нормированных ГОСТами), усталости, масштаба деформирования, связанного с параметрами трещиноватости, влияния промежуточного главного напряжения при испытаниях трещиноватых пород на слож­ ное трехосное деформирование.

Перспективными являются методы, основанные на распростране­ нии искусственно вызванных акустических волн в массиве горных пород и возбуждаемых ими электрических потенциалов, а также влияние напряженного состояния пород на плотность потока рассеян­ ного гамма-излучения. Эти нераЗрушающие методы исследований позволяют оценивать напряженное состояние, устанавливать зоны по­ вышенных напряжений, трещиноватость, место и степень нарушенности угольных пластов и массива горных пород.

Авторы полагают, что освещенные в монографии вопросы влия­ ния свойств и состояния горных пород в массиве на их устойчивость вблизи горных выработок окажутся полезными для горного произ­ водства, развития горной науки *и в первую очередь при оценке разрушаемости угольных пластов под влиянием предельного деформи­ рованного состояния, способов безопасного ведения горных работ и управления состоянием горного массива.

Настоящая монография является авторским обобщением мате­ риалов исследований, выполненных ими в ИГД им. А.А. Скочинского. Авторы отмечают участие в ведении экспериментальных работ и благодарят за оказание помощи при оформлении рукописи тт. Со­ ломину И.А., Чернякова А.Б., Присташа В.В., Архипова В.П., Мака­

рова Ю.С., (Якубовича И.А.1, Рубана А.Д., Пожидаева Н.И., Рамзаеву Е.Т., Бараб—Тарле И.Г., Коршунову В.Т.

1. ПРОЧНОСТЬ И ТВЕРДОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Механические свойства горных пород, углей и руд в решающей сте­ пени определяют специфику строительства шахт и рудников, раз­ работки месторождений, горной технологии. В настоящее время гор­ ная наука и горное производство располагают обширной информаци­ ей о прочностных свойствах пород большинства угольных и рудных месторождений, в том числе месторождений, залегающих на больших глубинах.

Это стало возможным благодаря разработке и ш ирокому внедре­ нию простых и доступных для горных и геологоразведочных целей скоростных методов массовых определений прочностных свойств. Эти методы позволили установить закономерности деформирования

иразрушения горных пород, а также выявить ряд факторов, влия­ ющих на механические свойства пород и углей (структурная анизот­ ропия, ослабления по контактам и кливажу, влажность и др.).

Процессы деформирования и разрушения пород, углей и руд мно­ гообразны. Крупные разломы и другие геологические нарушения воз­ никают под влиянием региональных тектонических движений в зем­ ной коре. Разрушение пород в обнажениях горных выработок проис­ ходят вследствие достижения предельных напряжений. Это проявля­ ется и при катастрофических крупномасштабных разрушениях уголь­ ных пластов при внезапных выбросах и горных ударах. В процессе отработки угольный пласт разрушают путем сосредоточенного воз­ действия инструментом угледобывающей машины, горные породы — проходческой машиной или буровзрывным способом .

Явления деформирования и разрушения твердых тел, включая

игорные породы, можно разделить на два вида: равномерные (объ­ емные, захватывающие полностью рассматриваемый элемент конст­ рукции), и локальные (сосредоточенные). Оба вида разрушения и деформаций могут быть динамическими, статическими или длитель­ ными (рис. 1.1). Для измерений твердости создано и продолжает создаваться множество методов и приборов в самых различных областях науки и техники.

Особенно широко проводят испытания твердости металлов, где действуют стандарты на отдельные методы. Понятие твердость [1, 2], принятое Комитетом технической терминологии АН СССР, вытекает из представлений о двух основных условиях деформирования и раз­ рушения твердых тел и, соответственно, двух классах механических свойств (см. рис. 1.1). Согласно [3] твердость — комплексное явле­ ние, включающее различные виды реакции веществ разной физиче­ ской природы на сосредоточенно действующие внешние силы: в од­ них случаях это пластическая твердость, выражающаяся только в пластических деформациях, в других — твердость разрушения, в тре­

тьих упругая твердость. Одним из существенных вопросов физики и механики твердого тела является изучение закономерностей умень-

Рис. 1.1. Основные представления о прочностных и деформационных свойствах твердых тел при различных видах приложения сил и режимах нагружения

шения или увеличения прочности материалов в зависимости от мас­ штаба. Масштабный эффект наблюдался при вдавливании инденторов в породы и угли, а также при разрушении пород рабочими органами бурильных и других горных машин.

Долгое время существовало мнение, что прочность пород в масси­ ве или в целиках выше прочности образцов пород, которые испыты­ ваются в лабораториях. В дальнейшем на основе обобщения и анализа экспериментальных исследований, произведенных с горными поро­ дами, углями, минералами и другими веществами, была выдвинута концепция, согласно которой изменение прочности образцов и эле­ ментов горного массива определяются не одним, а двумя масштаб­ ными эффектами — объемным и поверхностным. Под влиянием пер­ вого прочностные свойства с увеличением размеров всегда уменьша­ ются, а под влиянием поверхностного (технологического) могут как уменьшаться, так и возрастать. Чем больше неоднородность, трещи­ новатость пород и углей, тем сильнее действует в них эффект умень­ шения прочности с увеличением размеров. Особенно сильно он прояв­ ляется в области весьма малых размеров [4]. Численные показатели прочности горных пород и углей при растяжении, сжатии и других ви­ дах нагружения изменяются при изменении величины образцов. Де­ формируемость образцов зависит также от условий нагружения и напряженного состояния. Сопротивление разрушению при сжатии уменьшается или возрастает в зависимости от отношения высоты образцов к площади их поперечного сечения, а также контактных условий с плитами испытательных прессов. При всех видах и услови­

ях разрушения существенную роль играет скорость приложения на­ грузки и продолжительность нагружения. В числе прочностных харак­ теристик пород и углей ведущее место занимают пределы прочное', л при одноосном сжатии и растяжений. От этих характеристик зависят параметры обрушения кровли, отрыва при разрушении пород и углей горными машинами. Разрушение отрывом имеет место при горных ударах и внезапных выбросах угля и газа, при отбойке руды буро­ взрывным способом. В ИГД им. А.А. Скочинского предложен метод [5], посредством которого комплексно определяются характеристи­ ки прочности горных пород и углей как при растяжении; так и при одноосном сжатии (ГОСТ 21153.4—75). Сущность метода заключа­ ется в последовательном выполнении на одних и тех же образцах пород и углей определений:

предела прочности пород при растяжении по принципу направлен­ ного раскалывания плоскопараллельных пластин любых очертаний в плане (в том числе дисков, вырезанных из кернов разведочного бурения) ;

предела прочности пород при одноосном сжатии образцов, полу­ ченных при раскалывании пластин или дисков.

Правомерность определения прочности пород при растяжении по принципу направленного раскалывания вытекает из решения задачи теории упругости. Из решения Г. Герца следует, что в плоскости при­ ложения сил сжатия в цилиндрическом теле возникают равномерно распределенные напряжения растяжения. Аналогичное напряженное состояние (растяжение) возникает при раскалывании образцов по­ род, которые имеют плоскопараллельную и иную форму при воздей­ ствии линейно распределенной нагрузки. Это осуществляется посред­ ством сжатия образца двумя встречно направленными клиньями с закругленной вершиной или цилиндрическими стержнями небольшо­ го диаметра. Предельное растягивающее напряжение ведет к разрыву образца породы или угля на две части. Разрыв происходит по поверх­ ности, совпадающей или близкой к плоскости действия приложенных сил. Кроме растягивающих, в образцах породы возникают сжимаю­ щие напряжения, направленные перпендикулярно к напряжениям растяжения. В области, близкой к контакту испытуемой породы с плитами или клиньями пресса, напряжения сжатия велики. По мере приближения к оси цилиндра (равно как к середине плоскопарал­ лельного образца) напряжения сжатия уменьшаются, достигая в сред­ ней части нагружаемого тела некоторого минимума. В при контактной зоне, где возникает напряженное состояние местного всестороннего сжатия, деформации сочетаются с местным разрушением.

Известны и другие модификации принципа раскалывания, но все они имеют единую физическую основу — всегда возникает отрыв.

Предел прочности горных пород и других материалов при одноос­ ном сжатии определяют большей частью на образцах-цилиндрах, высота которых равна диаметру, или на образцах кубической фор­ мы. Это соответствует сложившейся практике массовых испытаний на одноосное сжатие разных материалов, в том числе горных пород.

Создаются более широкие возможности детальных испытаний образ­ цов пород из кернов колонкового бурения (ГОСТ 21153.4—75, ГОСТ 22 45 0 -7 7).

Широкие сравнительные испытания скоростного комплексного», метода с другими методами испытаний при растяжении и сжатии для разнообразных пород и углей, производившиеся на протяжении не­ скольких лет в ИГД им. А.А. Скочинского и другими организациями, дали хорошие результаты. Измерения прочности при растяжении по­ средством направленного раскалывания превзошли по перспективе использования, а также по достоверности результатов (включая опре­ деления прочностной анизотропии пород) все другие методы, в том числе методы прямого растяжения. Испытания образцов кубовидной (полуправильной) формы дали величины, близкие к полученным при испытаниях образцов правильной формы. Значительно расширились возможности проведения испытаний небольших проб пород, в том числе извлеченных из геологоразведочных скважин большой глуби­ ны. Намного сократилась трудоемкость исследований,

В горных массивах часто содержатся слабые, разбитые трещинами породы.

Непосредственно определить прочность массива горных пород, представленных небольшими обломками, невозможно. Некоторые представления о его прочности можно получить при изучении отно­ шения длины извлеченного керна к пробуренному интервалу. Но это отдаленный косвенный критерий. Он должен сочетаться с прочностью хотя бы обломков. Испытания прочности обломков можно осуще­ ствить лишь двумя путями. Первый основан на измерениях вновь образованной поверхности (зернового состава) разрушенного веще­ ства при измельчении его в стандартизованных условиях, что можно выполнить динамическим или статическим способами. Второй путь — измерение прочности на растяжение изометричных образцов непра­ вильной формы по принципу раскалывания при сжатии посредством плит, клиньев или инденторов (рис. 1.2). Для определения прочности породообразующих минералов в СССР и за рубежом разработаны раз­ личные устройства, в том числе полевые приборы для испытаний по­ род на образцах неправильной формы. Метод раскалывания образцов произвольной формы с применением встречных сферических инден­ торов разработан также воВНИМИ Г.В. Михеевым (ГОСТ 24941—81).

В целях унификации метода в ИГД им. А.А. Скочинского разра­ ботана ’’Методика определения прочности горных пород на образцах полуправильной формы” (1976 г.), а также ГОСТ 22450—77 на мето­ ды определения прочности углей. Метод ИГД им. А.А. Скочинского включен в систему стандартов для определения механических свойств горных пород (ГОСТ 21153.4—75). В результате использования мето­ да установлено, что крайние значения прочности пород расходятся в тысячу и более раз. К числу весьма крепких относятся плотные же­ лезистые кварциты, роговики, некоторые скарны, эгириновые по­ роды.

Численные характеристики прочности при одноосном сжатии вме-

вскрыше многих из них содержатся линзы конкреций и прослои пород, механические свойства которых, как следует из работ НИИОГР, намного превосходят основную массу углевмещающих пород.

Наличие крепких включений имеет на угольных разрезах суще­ ственное значение, так как от их механических свойств, распро­ странения и размеров зависят многие технические решения, часто возникает необходимость предварительного рыхления, а это опреде­ ляет возможность применения поточной технологии и высокопроиз­ водительного оборудования. В Канско-Ачинском бассейне включения крепких пород превышают по прочности породы основной толщи в 15—20 раз, в Кузбассе — в 1,5—2 раза, в Минусинском бассейне — в 3—4 раза. Удельный расход взрывчатых веществ в зависимости от прочности пород для различных разрезов составляет 0,05—0,85 к г/м 3.

Использование комплексного .метода и принципа направленного раскалывания позволило получить количественные характеристики прочностной анизотропии вмещающих пород и углей. Средние значе­ ния прочности ряда углей Кузбасса и Донбасса при растяжении по по­ верхностям, параллельным слоистости и основной прирожденной трещиноватости, оказались в 2—4 и более раз меньшими по сравне­ нию с отрывом по поверхностям, перпендикулярным к плоскос­ тям основной трещиноватости и слоистости. В Кузбассе прочность слоистых пород на растяжение при раскалывании по поверхностям распространения трещин в 12—30 раз, а по поверхностям наслоения

в 3—15 раз меньше по сравнению с породами массивной текстуры (Г.Г. Штумпф). Комплексные исследования пород, включавшие опре­ деления твердости в сочетании с изучением прочности, пластичности и хрупкости, упругих характеристик, а также минералогопетрогра­ фические исследования первоначально проводились методом вдавли­ вания цилиндрического штампа с плоским основанием в плоскую поверхность образцов, предложенным Л.А. Шрейнером для количе­ ственной оценки сопротивляемости пород разрушению при бурении на месторождениях нефти и газа. Этот метод нашел применение в не­ которых районах Донбасса для испытаний углевмещающих пород. В последние годы в угольной промышленности получил распростра­ нение простой способ определения контактной прочности, предло­ женный Л.Б. Глатманом и Л.И. Бароном. Он отличается тем, что штамп с плоским основанием рдавливают в необработанную (есте­ ственную) поверхность образцов пород. Оба метода дают хорошие результаты при определениях твердости большинства пород, но толь­ ко тогда, когда при вдавливании штампа образуются лунки выкола (хрупкое разрушение). В некоторых пластичных породах лунки выкола не возникают, поэтому удается зафиксировать лишь пределы текучести. Для количественной оценки твердости пород, обладающих пластичностью при вдавливании, сопоставимые результаты могут быть получены измерением пластической твердости, посредством вдавливания выпуклых инденторов (например, сферической формы). На многих породах, занимающих среднее положение, можно измерять как твердость при хрупком контактном разрушении, так и пластиче­ скую твердость. Для измерений твердости углей и пород в массиве разработаны конструкции молотков, действующих по принципу упругого отскока. Успешно применяются для прогнозирования выбросоопасности угольных пластов портативные приборы, основанные на динамическом вдавливании инденторов (Г.Н. Фейт). На протяже­ нии нескольких десятилетий на шахтах й рудниках всех отраслей горнодобывающей промышленности в целях нормирования произво­ дят оценку ’ ’буримости” пород бурильными машинами производ­ ственного назначения. Испытания выполняют в различных техноло­ гических режимах. К нормализованным условиям полученные ре­ зультаты приводят, пользуясь поправочными коэффициентами. По­ скольку техника и технология производственного бурения постоян­ но меняются и прогрессируют, трудно достичь твердых стабилизиро­ ванных характеристик механических свойств пород. Применение разнообразных машин производственного назначения приводит к несоответствию между принятыми на шахтах и рудниках коэффици­ ентами крепости и действительными прочностными свойствами по­ род.

Важной положительной стороной метрологических методов раз­ рушения в массиве, моделирующих бурение, являются большой объ­ ем и большая поверхность раздробленной породы. Это обеспечивает значительно большую представительность результатов измерений, возрастают глубина и объем исследований массива, а условия разру­

шения породы приближаются к реальным условиям всестороннего сжатия, возникающему в массиве. Примером метрологического устройства может быть динамометрическое сверло СДМ-1 конструк­ ции ЙГД им. А.А. Скочинского, предназначенное для оценки сопро­ тивляемости угля резанию (ГОСТ 12.47.001—73).

Для изучения механических свойств минералов, слагающих гор­ ные породы, а также небольшой величины зерен обычные способы измерений прочности непригодны. Поэтому изучение механических свойств минералов развивалось главным образом в направлении оценки их твердости. Наиболее известна десятибальная шкала Мооса, основанная на взаимном царапании минералов. Изучение твердости позволило вскрыть глубокие связи между средой, условиями обра­ зования и вещественным составом породообразующих минералов, слагающих породы и руды.

Твердость кристаллов представляет направленное свойство, что доказано многочисленным микрорезанием с применением так на­ зываемых склерометров. В ИГД им. А.А. Скочинского методом упругого отскока установлена различная динамическая твердость раз­ ных граней кварца, гипса и других кристаллов.

Изучение ингредиентов углей показало существенные различия

втвердости основной цементирующей массы антрацитов, витринита

ифюзинита. Для различных проб углей из ряда угольных пластов значение их микротвердости составляют 370—1550 МПа. С целью количественной оценки ’’микропрочности” на базе исследований кальцита, кварца, природного корунда, а также искусственных мине­ ралов разработан метод раздавливания, которым было выявлено сильное проявление масштабного эффекта, особенно в области ма­ лых размеров (от 0,5 до 0,09 мм). Так, для кварца сопротивление раскалыванию возросло с 60—70 до 600 МПа при уменьшении линей­ ных размеров в пределах 1,2—0,09 мм. Разработанный метод был

успешно применен для испытаний прочности синтетических алмазов и оценки их качества при сортировке.

Ученым и практикам известно отрицательное действие воды на устойчивость горных выработок в слабых горных породах и на пуче­ ние пород. Искусственное воздействие воды и химических реагентов на породы порой применяют на шахтах для повышения эффективно­ сти разработки угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями. Большое значение имеет, как известно, увлажнение угольного масси­ ва для предупреждения внезапных выбросов угля и горных ударов. Атмосферные осадки в значительной мере определяют устойчивость, деформации и разрушение бортов угольных разрезов и рудных карье­ ров.

Несмотря на большое практическое значение, механизм воздей­ ствия воды на массив в различных горногеологических условиях изучен недостаточно. В этой связи необходимо исследовать влияние воды на породы и угли не традиционным путем (по коэффициентам размокания при одноосном сжатии), а в различных напряженных со­ стояниях,. в том числе при длительном нагружении и динамическом