книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Для трещиноватых и особенно для пластичных пород параметры паспорта прочности находятся в зависимости от длительности дей­ ствий нагрузок ( « д л и т е л ь н а я о б ъ е м н а я п р о ч н о с т ь » ) .

Наряду с перечисленными прочностными характеристиками при статическом и длительном действии нагрузок, в ряде случаев может иметь значение оценка изменения этих характеристик в результате влияния скорости приложения нагрузок при быстром (динамическом) нагружении в широком диапазоне этих скоростей.

В отдельных случаях проявлений горного давления могут ока­ заться существенными и иные показатели, характеризующие пре­ дельные напряженные состояния горных пород (предел упругости, предел текучести, энергетический баланс разрушения и др.) [15, 18, 19 и др.].

Важнейшие деформационные свойства горных пород можно раз­ делить на две группы:

1. У п р у г и е с в о й с т в а — модуль упругости Е[кг!см2 ] и коэф­ фициент Пуассона jk, (для анизотропной породы их несколько). Упругость наиболее присуща твердым, в том числе и трещиноватым (в меньшей мере — сыпучим) породам. Для пластичных пород этот модуль обычно мал, а упругость мало показательна [21].

Пластические деформации и деформации ползучести могут при­ ближенно быть выражены различными аппроксимирующими законо­ мерностями, из которых наиболее употребимы зависимости линейной наследственной ползучести и зависимости в символах структурных

с в о й с т в п ород . По методу структурных моделей эти показатели выражаются реологическим типом породы (среда Максвелла, среда

По теории линейной наследственной ползучести показатели реологи­ ческих свойств выражаются видом ядра ползучести (степенное, экспоненциальное и т.д.) и входящим в ядро соответствующими параметрами.

Большое значение для анализа процессов горного давления име-. ют показатели реологических свойств пород в условиях действия объемных нагрузок [1]. Эти показатели в настоящее время еще почти не изучены, однако установлено, что действие на породу сжи­ мающих компонентов бокового давления аналогично снижению осе­ вого сжимающего компонента, то есть снижает интенсивность пол­ зучести пород. Деформирование пород длительными нагрузками сопряжено с изменениями их объема: уплотнением при малых на­ грузках и разуплотнением при больших.

Для грубой оценки пластических свойств пород используются величины категорий пластичности и текучести в единицах принятых условных шкал.

50

При действии динамических нагрузок, в том числе вибрацион­ ных, и нагрузок, прикладываемых со значительной скоростью (вплоть до ударных нагрузок), показатели прочностных и деформационных свойств зависят от частот вибрации (например, динамический мо­ дуль упругости) и от скорости нагружения.

В настоящих «Общих методических положениях» не дается опи­ сания методов испытания пород типа рыхлых грунтов, достаточно широко освещенных в соответствующих методических пособиях [40 и др.] применительно к строительству наземных сооружений. Эти методы могут быть использованы при исследованиях горного давления в случаях, когда характер пород (в частности значитель­ ная уплотняемость) и представительность этих методов отвечают имеющимся условиям, например, для покровных отложений.

§ 7. Опробование горных пород и подготовка их образцов для испытаний

При выборе мест для проведения натурных испытаний или от­ боре проб для лабораторных испытаний необходимо стремиться к максимальной типичности этих мест с точки зрения проявления изучаемого горногеомеханического процесса в выработке. Состоя­ ние отбираемой пробы (ее влажность и целостность) или места проведения натурных испытаний также должно быть максимально представительным, для чего при извлечении из массива пробы для лабораторных испытании и при подготовке места проведения на­ турных испытаний должны предусматриваться меры по предваритель­ ной зачистке забоя, по выбору соответствующей технологии отделения пробы от массива или оконтуривания участка натурного испытания (без применения взрывов и ударов, нарушающих целостность пробы), по способам консервации, упаковки, транспортировки и хранения породных проб [16].

В качестве проб горных пород для лабораторных испытаний могут быть использованы монолиты (глыбы), отделенные от обна­ жений массива в выработках, или же керны колонкового бурения.

Количество и размеры породных проб определяются видом на­ мечаемых испытаний, обуславливающим изготовление и примене­ ние породных образцов, форма и размеры которых предусмотрены методикой лабораторных испытаний. При этом имеет значение также и численность таких образцов.

Необходимость применения для испытания не одного, а несколь­ ких образцов обусловлена естественной неоднородностью пород, ме­ ханические свойства которых распределены по массиву стохасти­ чески и определяются не только средними значениями определяе­ мых показателей, но и степенью их вариации (коэффициентами вариации). Ввиду этого численность образцов для определения какого-либо показателя в прямой мере определяет степень надеж-

.ности этого показателя.

51

Надежность в % ,61 77 86 91 94 97,5 99,2

В соответствии с правилами математической статистики, повы­ шение надежности при недостаточном числе образцов может быть достигнуто за счет соответствующего расширения доверительного интервала вариации определяемого показателя по сравнению с ес­ тественной величиной коэффициента его вариации [66].

Обычно для нормальных (стандартных) испытаний применяется по 6—10 образцов-близнецов; для грубых испытаний — по 2—3 образца.

Требования надежности результатов испытаний неоднородных по сложению пород налагают аналогичное ограничение на абсо­ лютные размеры испытываемых образцов. Соотношение линейных размеров нагружаемых при испытании областей породы и ее об­ разцов и линейных размеров элементов структуры породы должно быть для нормальных (стандартных) испытаний не менее 6—7-крат­ ного; для точных испытаний — не менее 10-кратного. Грубые испы­ тания допускают снижение этого отношения до 3—4-кратного [59, 60].

При необходимости специального изготовления из породных проб образцов для лабораторных испытаний технология этого изготов­ ления должна обеспечивать сохранение представительности поро­ ды— ее целостности, а для гидрофильных пород и влажности. В частности, при изготовлении образцов следует избегать сильных ударов.

§ 8. Методы лабораторных исследований механических свойств пород

Основной особенностью лабораторных методов испытаний горных пород является сравнительно небольшой размер применяемых для испытаний породных образцов, вырезаемых из проб, доставленных в лабораторию с мест изучения горного давления.

Представительность лабораторных испытаний породных образ­ цов, со стороны их размеров, бывает достаточной, если изучаемая порода вообще не имеет структурной нарушенности или же не на­ рушена в пределах элементов механической системы исследуемой. задачи горного давления (например,' в пределах характерных раз­ меров выработки, целика, пласта и т. п.). При структурной нарушен­ ности породы в пределах изучаемого элемента горногеомеханической системы представительность испытания образцов со сторо­ ны их размеров находится в прямой зависимости от того, насколько размеры этих образцов велики по сравнению с характерными раз­ мерами структурной нарушенности породы. Если испытанию подвер­

52

гаются образцы соизмеримые (или меньшие) с элементами строе­ ния породы, то представительность этих испытаний низка, а резуль­ таты их содержат существенную систематическую и значительные случайные погрешности. Эти погрешности бывают малы лишь в случаях, когда механизм деформирования и разрушения породы (в натуре и при испытании) мало зависит от структурной нарушенности породы, например, при пластическом деформировании под большим всесторонним давлением.

С указанными погрешностями результатов лабораторных испыта­ ний малых породных образцов структурно-нарушенных пород прихо­ дится мириться также, когда соответствующие натурные испытания крупных породных блоков в массиве, в силу своей недоработанности или недостатков оказываются еще менее представительными и на­ дежными, чем лабораторные методы. Поэтому, учитывая боль­ шую доступность и обычно большую точность лабораторных испы­ таний, последние имеют широкую (если не преобладающую) при­ менимость. При этом, однако, использование результатов лаборатор­ ных испытаний структурно-нарушенных пород должно производить­ ся с надлежащим учетом указанных погрешностей, главным об­ разом — с поправками на так называемый масштабный эффект, а также на анизотропию структурной нарушенности (если эта анизо­ тропия имеет место). При малых, по сравнению с образцами, раз­ мерах структурной нарушенности породы поправка на масштаб­ ный эффект пренебрежимо мала.

Большую помощь для установления зависимостей между меха­ ническими характеристиками, полученными на образцах пород и характеристиками породного массива могут оказать соответствую­ щие опыты на моделях методом эквивалентных материалов (гл. III).

Определение предела прочности породы при одноосном сжатии. Грубая оценка предела прочности породы на сжатие (или коэф­ фициент крепости по Протодъяконову) необходима для исследова­ ний большинства случаев проявлений горного давления как наи­ более обобщенная оценка крепости пород, характеризующая об­ щую горногеологическую обстановку на исследуемом участке. Гру­ бо измеренная величина прочности породы на одноосное сжатие используется для приближенного построения паспорта ее объемной прочности по расчетному методу, предложенному проф. М. М. Протодъяконовым [19], и для грубой оценки величины коэффициен­ та сцепления.

Для оценки устойчивости целиков различного назначения, сте­ нок подготовительных и капитальных выработок и незакрепленных участков шахтных стволов, а также для оценки условий обрушения разломившихся блоков кровли очистных выработок необходимо бо­ лее надежное определение предела прочности на одноосное сжатие.

Основным (нормальным) методом определения предела проч­ ности породы на одноосное сжатие рекомендуется метод сжатия до раздавливания на испытательном прессе цилиндрических породных

53

образцов. Для испытаний применяются образцы диаметром не

Для равномерности передачи образцу испытательного давления торцы образца должны точно прилегать к нагрузочному устрой­ ству, для чего:

нормируются плоскости торцов образца с точностью до 0,02— —0,03 мм (шероховатость торцов допускается в пределах 2—6-го классов чистоты);

предусматривается применение подкладной и накладной плит с твердостью материала Rc = 56—60 и толщиной не менее полудиаметра образца (плоскости плит с точностью 1—2 мк). Плиты перио­ дически перешлифовываются с целью устранения износа и короб­ ления;

предусматривается обязательное применение накладной шаровой пяты с центрирующим буртом и вынесенным шариком для центри­ рования нагрузки, компенсации неточной параллельности торцов образца и плит пресса и предотвращения опрокидывания, перекоса и заклинивания образца.

Предел прочности при одноосном сжатии вычисляется по формуле:

При допущении некоторых отступлений от нормированных поло­ жений метод этот становится грубым. Это имеет место, например, при использовании неточно отторцованных образцов и изношенных плит, при применении линзообразных центрирующих пят, при испы­ тании крупноструктурных образцов малых размеров, при исполь­ зовании в качестве образцов кубиков и даже образцов неправиль­ ной формы с подшлифованными торцами [17].

В качестве грубого метода определения крепости горных пород рекомендуется также метод раздавливанием между плитами испы­ тательного пресса до разрушения образцов случайной (неправиль­ ной) формы, размеры которых ограничены требованиями:

54

стигается применением специальных испытательных установок (рис. 3). Это, вместе со значительной длительностью и сложностью испытаний, делает метод сравнительно мало доступным и примени­ мым лишь в особо ответственных и специальных случаях, когда задачи испытаний оговариваются особо, а сами испытания зачастую носят характер исследования механизма длительного разрушения испытываемой породы. Применение переменных (вибрационных) на­ грузок позволяет существенно ускорить испытания [37, 38].

Исследование условий формирования горных ударов требует иногда, кроме указанного, определения прочности пород на сжатие в условиях динамического (ударного) приложения сжимающей на­

грузки. В этих специальных случаях методика испытания цилин­ дрических образцов на одноосное сжатие видоизменяется примене­ нием вместо обычных испытательных прессов специальных дина­ мических нагружающих и силоизмерительных устройств, например, типа ударных копров с широким диапазоном осуществимых ско­ ростей нагружения. Методика испытания сводится, в основном, к установлению зависимости разрушающих напряжений от скорости нагружения, однако, состав методики должен быть всегда сущест­ венно увязан со спецификой задачи исследования горного давления, причем может оказаться необходимым определение при испытании таких показателей, как энергетический баланс разрушения, эффект раскрытия трещин и изменения объема породы при разрушении и т. п. [63].

Определение предела прочности породы на растяжение. Соотно­ шение величин прочности на растяжение и прочности на сжатие может служить ориентировочной оценкой хрупкости разрушения горной породы в результате проявления горного давления. Поэтому грубая оценка предела прочности на растяжение пополняет общую горногеомеханическую характеристику породного массива. Для боль­ шого числа разновидностей горных пород предел прочности на растя­ жение составляет -|— предела ее прочности на одноосное сжатие.

Разрушения горных пород от растягивающих напряжений, кроме случаев изгиба кровли, имеет место в ряде случаев управления горным давлением, особенно при крутопадающем залегании. Углы поверхности обнажения массива часто обуславливают местные кон­ центрации растягивающих напряжений, являясь поэтому потен­ циальными источниками очагов трещинообразования и разрушения массива. Это обстоятельство также делает грубую оценку прочности породы на растяжение — фактором общей горногеомеханической характеристики массива.

Существующий метод [32] представительной и высоко надежной оценки предела прочности путем одноосного растяжения породных

56

кернов, с обеспечением центрирования и других условий надежности результатов испытания, мало доступен по трудоемкости и другим причинам и рекомендуется лишь в специальных случаях, для кон­ трольных испытаний по эталонированию более широко применяемых, но менее надежных методов, использующих косвенную связь не­ посредственно измеряемых при испытании величин с определяемым показателем.

В качестве основного лабораторного метода определения проч­ ности пород на растяжение рекомендуется косвенный метод раска­ лывания породных кернов, основные положения которого изложены в [31, 51].

Раскалыванию подвергаются цилиндрические образцы диаметром не менее 30 мм (для крупнозернистых породы — не менее 7 размеров структурных зерен) и длиной, равной 0,6—1,1 диаметра. Образ­ цы располагаются и сдавливаются до раскалывания между плос­ кими или клиновидными плитами пресса так, что давление пресса прикладывается к диаметрально расположенным двум образующим образца. Для обеспечения прилегания нагружаемых образующих образца к нагрузочным устройствам необходимо применять соответ­ ствующие центрирующие приспособления.

Несколько снижающими надежность метода за счет увеличения его доступности являются допускаемые упрощенные модификации его: раскалыванию клиньями подвергаются не цилиндрические, а плитообразные образцы [46], либо поперечное раскалывание керна производится ножеобразными или шариковыми инденторами (в по­ следнем случае в качестве породных образцов могут служить даже куски неправильной формы), с использованием портативной ап­ паратуры [39, 47]. Существенным достоинством этого метода яв­ ляется возможность его использования для ориентировочной оцен­ ки прочности на отрыв контактов смежных слоев, представленных в испытываемом керне.

Прочность породы на растяжение определяется при этом по формуле

(2.4)

где Р разрушающая нагрузка, кг;

F -площадь поверхности раскола,с м г

57

значениях бокового давления на образец. В результате испытания каждого образца получается пара разрушающих главных напря­ жений, по которой строится соответствующий предельный круг Мора. Огибающая кругов, отвечающих всем испытанным образцам, дает графическое представление паспорта прочности породы.

Для условий горного давления сопровождающегося разрушени­ ем массива пород при небольшом значении нормальных напряже­ ний (в частности для вопросов устойчивости обнажений типа борта карьера), показатели паспорта прочности определяются для началь­ ной части огибающей кругов Мора. Для этой цели можно приме­ нить (в случае отсутствия стабилометров) несколько менее предста­ вительный и надежный, но более доступный метод лабораторных испытаний ‘ путем косого среза цилиндрических породных образцов

[28, 65]. Образец срезается при помощи испытательного пресса по принудительно задаваемой плоскости, определяемой местом разъ­ ема полуматриц, в которые заключается образец. Наклон этой плоскости к направлению усилия, сообщаемого прессом и величины этого усилия определяют величины нормальных и касательных разрушающих напряжений (точку на огибающей паспорта прочности породы).

Для получения паспорта прочности испытаниям подвергают 6—8 образцов при не менее чем двух различных углах наклона срезаемой плоскости (обычно при 45° и 60°).

Определение показателей упругости. Упругость горной породы имеет особенное значение при исследованиях горных ударов, а также для решения некоторых вопросов о распределении нагрузок на цели­ ки при камерных системах разработки. Кром^ того, знание показа­ телей упругости пород необходимо во всех случаях теоретических рас­ четов с привлечением теории упругости.

Основным, наиболее представительным, точным и пригодным для большинства типов горных пород, лабораторным методом опреде­ ления показателей упругости является испытание на одноосное сжа­ тие [33], отличающееся от аналогичного метода определения проч­ ности на одноосное сжатие режимом нагружения возрастающими ступенями нагрузки с промежуточными разгрузками и контролем за деформациями образца, вызванными этими изменениями его на­ пряженного состояния.

Для измерения деформаций предпочтительно применение элек­ тротензометров, в том числе накладных (рис. 5).

Деформации должны измеряться как в направлении действия нагрузки (для определения модуля упругости), так и в перпен­ дикулярном направлении (для определения коэффициента Пуассона). Деформометры должны дублироваться, располагаясь на противопо­ ложных сторонах образца. Для измерения деформаций не исполь­ зуются приторцевые части образца.

59