Методы определения свойств горных пород (стр. 1 из 8)

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД.

6.1. Общие положения.

С учётом изложенных ранее представлений о иерархично-блочной структуре горных пород и массивов и принципиально возможных двух путей определения различных характеристик -интегрального и дифференциального рассмотрим более детально принципы определения отдельных свойств.

В частности, для изучения плотностных характеристик целесообразно применять как первый, так и второй путь определения свойств многокомпонентных сред, поскольку им присущи свойства “аддитивности - независимости - равноправности”, т.е. все компоненты действуют равноправно и независимо друг от друга, а интегральная характеристика агрегата является средневзвешенным из характеристик каждой компоненты, в данном случае структурных блоков и структурных неоднородностей.

Таким образом для определения интегральных плотностных характеристик массива, представленного различными петрографическими разновидностями пород и различными типами структурных неоднородностей, в принципе достаточно определить эти характеристики для каждой разновидности пород и для каждого типа структурных неоднородностей (раздельно или в какой-либо совокупности), а затем найти их средневзвешенное значение в зависимости от степени распространённости указанных компонент в массиве.

Деформационные и, в частности, упругие характеристики горных пород, в отличие от плотностных, обусловливаются не только свойствами отдельных разновидностей пород, слагающих массив, но и свойствами их контактов, а потому и особенностями взаимного расположения слагающих компонент. Именно вследствие этого для деформационных показателей справедлива схема“аддитивности - взаимозависимости - равноправносги”. Аддитивность влияния неоднородностей в этом случае проявляется в суммарном вкладе каждой из компонент, при этом вполне очевидна и их равноправность. Вместе с тем, например, для упругих колебаний интегральная скорость прохождения упругих волн в многокомпонентной среде не является усредненным значением скоростей волн в отдельных компонентах.

Вследствие отмеченной особенности для определения скоростей прохождения упругих колебаний также целесообразен первый путь получения информации о физических характеристиках многокомпонентной среды. Однако, в отличие от плотностных характеристик, и именно из-за свойства “взаимозависимости” в сферу экспериментов при этом необходимо вовлекать объемы массива, где обеспечивается представительность интересующих порядков структурных неоднородностей.

Например, применительно к вопросам оценки устойчивости буровых скважин в сферу экспериментов должны быть вовлечены структурные неоднородности IV - го порядка, и определение деформационных характеристик в этом случае возможно выполнять на образцах-цилиндрах стандартных размеров - с диаметром 40-45 мм и высотой, равной 1-2 диаметрам.

В то же время для решения задач оценки устойчивости горных выработок в экспериментах должны проявлять себя структурные неоднородности более низких порядков - до II включительно. Здесь уже нельзя ограничиваться испытанием образцов, необходима постановка специальных измерений непосредственно в натурных условиях.

В отличие от плотностных и деформационных характеристик прочностные свойства подчиняются схеме "избирательности-независимости", поскольку разрушение происходит в наиболее слабом звене и не зависит от прочности других структурных элементов. В соответствии с двухкомпонентной моделью строения массива скальных пород наиболее слабым звеном является "структурная неоднородность", причем в зависимости от масштаба рассматриваемых объектов разрушение будет определяться различными порядками структурных неоднородностей - от IV - го для буровых скважин до II - го включительно - для крупногабаритных подземных сооружений. Отсюда возникает задача применительно к каждому типу рассматриваемых сооружений определять прочностные характеристики тех структурных неоднородностей, которые в данном случае оказывают основное влияние на устойчивость объектов (т.е. эффективных структурных неоднородностей).

Поскольку вид, размеры и свойства структурных неоднородностей отдельных порядков резко отличаются друг от друга, применяют различные методические подходы для экспериментального определения прочностных характеристик. В частности, для структурных неоднородностей IV - го порядка определения ведут путем испытания образцов горных пород в виде цилиндров или призм.

К образцам предъявляются требования достаточной представительности и однородности, с тем чтобы они не включали структурных неоднородностей других, более низких порядков. Последнее требование обычно достигается путем применения весьма небольших по размерам (стандартных) образцов, а также путем статистического анализа получаемых результатов с отбраковкой резких выбросов в получаемых значениях характеристик. При этом в силу принципа "избирательности" разрушение образцов происходит именно по структурным неоднородностям 1У порядка, и получаемые результаты можно уверенно относить к этому типу.

Для структурных неоднородностей III - го порядка представительными, как правило, являются объемы с существенно большими линейными размерами (50-100 см). В принципе и в этом случае испытания могут быть проведены на образцах соответствующих больших размеров, но это требует специального камнерезного и уникального силового оборудования. Вследствие этого при изучении уже III, а тем более II порядка структурных неоднородностей путь испытания образцов становится малоприемлемым и более целесообразно применять метод непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей того или иного порядка. При этом для правильного последующего применения полученных результатов необходимо знать геометрические характеристики и закономерности расположения в пространстве отдельных структурных неоднородносгей. Вследствие этого их изучение целесообразно начинать с установления их геометрических параметров.

Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов - заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей.

В отличие от геометрических параметров более сложную и существенно менее разработанную задачу представляют собой методы определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородноcтей низких порядков. При этом, поскольку с физической точки зрения разрушение материалов вообще и горных пород, в частности, происходит либо под воздействием растягивающих напряжений в форме отрыва, либо вследствие касательных напряжений в форме сдвига (скола), наибольший интерес представляет определение пределов прочности при одноосном растяжении [s_р], сцепления [t] и j - углов внутреннего трения. В условиях, когда необходимо принимать во внимание взаимные подвижки отдельных структурных блоков, существенное значение приобретает характеристика f - коэффициент трения (внешнего) породы о породу по контактам структурных неоднородностей.

Методы определения конкретных свойств пород рассмотрим раздельно:

при вовлечении в эксперименты сравнительно небольших объёмов пород, т.е с учётом структурных неоднородностей высших порядков;

при исследованиях больших областей массива, охватывая тем самым низкие порядки структурных неоднородностей.

6.2. Определение свойств горных пород

с учётом структурных неоднородностей высших порядков.

Методы определения свойств пород с учётом структурных неоднородностей высших порядков традиционно относят к лабораторным методам исследований. Свойства определяют на образцах, размеры которых в настоящее время стандартизированы.

6.2.1. Методы определения плотностных свойств.

Наибольший интерес в геомеханике из плотностных свойств представляют объемный вес, объёмная масса (плотность), удельный вес, и пористость.

В лабораторных условиях на образцах пород обычно определяют объемный вес g и удельный вес g₀. Далее рассчитывают плотность (объемную массу) r и удельную массу r₀. Общую пористость также определяют расчетным путем, используя полученные экспериментально значения удельного g₀ и объемного веса g.

g₀ - g₀

П = ---------- (6.1)

g₀

Для экспериментального определения объемного веса породы требуется знать вес и объем образца. Если определения ведут на образцах правильной геометрической формы, то вес устанавливают путем взвешивания на лабораторных весах, а объем - путем измерения линейных размеров. В случае испытания образцов неправильной геометрической формы для определения объемного веса используют метод гидростатического взвешивания.

В последние годы для лабораторного определения плотности (и объемного веса) пород широко используют гамма-метод (в модификации узкого пучка). При этом испытуемый образец породы помещают между источником радиоактивного гамма-излучения и детектором (рис. 6.1).

б Фото, рис.7, стр.51 “Основы мех.г.п.”

Рис.6.1. Схема лабораторной установки для измерения плотности горных пород гамма-методом.