Структурных неоднородностей низких порядков.

Испытания пород с учётом низких порядков структурных неоднородностей традиционно относили всегда к испытаниям в натурных условиях массивов горных пород или их ещё иногда называли испытаниями в местах естественного залегания пород (in situ). Однако это не полностью соответствует современным представлениям и методам проведения испытаний и определения характеристик рассматриваемых неоднородностей, поскольку сами понятия “образец” и “массив” теперь утрачивают первоначальный смысл.

Определение свойств пород с учётом структурных неоднородностей низких порядков представляет собой весьма сложную задачу, поскольку обычный путь испытаний представительных объёмов пород здесь становится крайне трудоёмким и зачастую мало реальным. Причём это определяется не только техническими или организационными трудностями постановки экспериментов, но и особенностями проявления свойств массива пород при тех или иных воздействиях. Практически только свойства, подчиняющиеся схеме “независимости - аддитивности” могут быть корректно определены на соответственно выбранных экспериментальных участках. Другие свойства требуют специальных подходов, совмещающих экспериментальные методы с расчётными.

6.3.1. Методы определения плотностных свойств.

Изучение плотностных характеристик - удельного веса g₀; объёмного веса g; удельной массы r₀; плотности (объёмной массы) r обычно сложностей не вызывает вследствие присущего им свойства “аддитивности - независимости - равноправности”. Все компоненты действуют равноправно и независимо друг от друга, а интегральная характеристика агрегата является средневзвешенным значением из характеристик каждой компоненты, в данном случае структурных блоков и структурных неоднородностей. Исходя из этого, можно определять плотностные характеристики на специальных образцах для каждого из структурных элементов по отдельности, а затем рассчитать интегральную характеристику, но можно также определять плотностные характеристики и интегральным путём в натурных условиях массива пород, т.е. с учётом конкретных видов структурных неоднородностей.

Плотность пород в массиве с достаточной степенью точности (с погрешностью 1-3%) можно определить с помощью гамма-метода, основанного на эффекте различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения в средах с различной плотностью.

С этой целью в изучаемом участке массива пород бурят на расстоянии 20-70 см друг от друга параллельные шпуры или скважины. В одном из шпуров помещают закрытый источник гамма-излучения (обычно радиоактивный изотоп ⁶⁰Со, ¹³⁷Cs или ²²⁶Ra), имеющий активность 0,5-2,0 мг-экв радия. Работа с источниками такой малой активности вполне безопасна и не требует особых мер защиты. Во втором параллельном шпуре помещают регистрирующий зонд с детектором (счетчиком гамма-квантов). Перемещая зонды с источником и детектором вдоль скважин, фиксируют интенсивность гамма-излучения, прошедшего через толщу горной породы между скважинами, и по тарировочным графикам или номограммам устанавливают плотность пород на исследуемых участках.

6.3.2. Методы определения деформационных и акустических свойств.

Посколькудля деформационных и, в частности, упругих характеристик горных пород, в отличие от плотностных, справедлива схема “аддитивности - взаимозависимости - равноправносги”, для этих свойств также приемлем первый (интегральный) путь определения, т.е. определение на соответствующих образцах или представительных участках массива пород. Однако при этом, в отличие от плотностных характеристик, в сферу экспериментов необходимо вовлекать объемы массива, где обеспечивается представительность интересующих порядков структурных неоднородностей.

 

Деформационные и, в частности, упругие характеристики горных пород в последнее время определяют в большинстве случаев так называемым динамическим методом с применением ультразвуковых методов. Исходными величинами при этом, определяемыми непосредственно из экспериментов, являются скорости продольных и поперечных упругих колебаний.

Скорости упругих волн в массиве могут быть измерены различными способами, из которых наиболее распространены следующие:

а) ультразвуковой способ с использованием аппаратуры типа УКБ, УК-10П, УК-15 и т. д.;

б) импульсный метод с использованием нагрузок единичного удара или взрыва для измерения времени распространения колебаний между заданными точками в массиве;

в) сейсмический метод.

 

Ультразвуковой метод может быть использован для определения скоростей упругих волн на сравнительно небольших базах (0,3-1,5 м), т.е. для определения деформационных свойств пород с учётом структурных неоднородностей не ниже III - го порядка.

Сущность метода заключается в том, что в массиве пород пробуривают шпуры или скважины и затем, помещая в одни из них приемник, а в другие излучатель, определяют время прохождения импульсов по прозвучиваемому участку массива. Зная время прохождения импульса и измеряя расстояние между шпурами, вычисляют скорость упругих волн.

Для измерений применяют комплект аппаратуры со специальными датчиками. Плотный контакт излучателя и приемника с породой обеспечивается механическим или (в последнее время) пневматическим способами. Для повышения качества акустического контакта применяют воду или масло, которые заливают в шпуры, либо используют прокладки из вакуумной резины. На рис. 6.14 показан комплект ультразвуковой аппаратуры, разработанный в Горном институте КНЦ РАН.

При импульсном методе в качестве возбудителя колебаний обычно используют механический удар или взрыв, а время пробега упругих волн измеряют какими-либо счетчиками времени. В качестве приемников применяют пьезодатчики, электрические импульсы от которых поступают на многоканальные осциллографы или могут быть записаны на магнитофонную ленту.

 

Рис. 6.14 Общий вид комплекта шахтной аппаратуры (а) и схема ультразвуковых измерений (б) в массиве пород.

Ультразвуковые скважинные датчики; 2 - досылочные штанги; 3 - фиксирующее устройство с распределительным вентилем; 4 - координатное устройство; 5 - ёмкость с запасом воздуха; 6 - регистрирующий прибор.

Сейсмический метод находит применение при геофизических исследованиях больших участков массива горных пород (сотни метров) и позволяет, кроме определения скоростей упругих волн, также анализировать затухание колебаний по мере прохождения волной разных баз.

 

Деформационные характеристики также могут быть определены с помощью методов искусственного нагружения участков массива.

Обычная схема таких испытаний состоит в том, что испытуемый участок породного массива оконтуривают с нескольких сторон, сохраняя связь с остальным массивом лишь по одной или двум плоскостям. Затем с помощью гидравлических домкратов или иных нагрузочных устройств оконтуренный участок нагружают, фиксируя нагрузки и соответствующие им деформации пород и при необходимости доводя усилия вплоть до разрушения нагружаемого участка массива. Одна из схем такого нагружения приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Схема определения деформационных характеристик и прочности породных призм при нагружении гидравлическими домкратами в натурных условиях.

а - вид на породную призму в стенке выработки, подготовленную к срезу; б - боковая проекция срезаемой призмы; в - срезаемая призма с установленными гидравлическими домкратами (в плане).

 

Среди методов этой группы заслуживают внимания также методы определения деформационных характеристик участков массива, основанные на тензометрических дистанционных измерениях радиальных смещений пород в стенках буровых скважин при распирании скважин с помощью специального гидравлического устройства - прессиометра.

Наконец, к этой же группе методов относятся и методы определения деформационных свойств пород на основе опытных горных работ. Эти методы связаны с применением "обратных расчетов". Сущность этих методов состоит в том, что с помощью горных работ исследуемый элемент массива (участок кровли выработки, целик или группа целиков и т. п.) подвергают деформированию, обычно вплоть до разрушения. В процессе опытных горных работ фиксируют происходящие при этом смещения, деформации, изменения напряжений в изучаемом участке массива и соответствующие им геометрические параметры целиков, обнажении кровли и т. п.

Если прямые задачи геомеханики состоят в том, чтобы на основе известных механических свойств рассчитать возможные смещения, деформации и напряжения в участках массива при различных геометрических параметрах горных разработок, то в данном случае ставят обратную задачу: определить механические, в частности деформационные, свойства пород в массиве на основе фиксируемых геометрических параметров и наблюдаемых смещений, деформаций и изменения напряжений. Для правильного определения механических свойств пород в натурных условиях необходимо, чтобы аналитические зависимости, используемые в расчетах, надежно отражали действительный механизм процессов в изучаемом участке массива.

В качестве одного из примеров рассматриваемой группы методов можно назвать опытное распирание гидростатическим давлением жидкости или газа стенок камеры или тоннеля и измерение при этом смещений с расчетом упругих характеристик пород в массиве. По своей сущности этот метод аналогичен методу прессиометрических измерений и отличается от последнего значительно большими размерами испытуемого участка массива.

Применяют также опытное нагружение, вплоть до раздавливания, одного или группы междукамерных целиков при выемке смежных с ними целиков; опытное обнажение кровли выработок с установлением деформаций ее изгиба, определением предела прочности на изгиб и расчетом показателей деформационных характеристик пород кровли.

По измерениям деформаций контура подземной выработки во времени, используя математический аппарат наследственной теории ползучести, можно определить реологические показатели массива пород.

По сути дела во всех этих случаях также идёт речь об определении характеристик некоторых объёмов пород с учётом тех или иных видов структурных неоднородностей в зависимости от параметров испытуемого участка и конкретной структуры данного массива.

Следует подчеркнуть, что методы определения механических свойств на основе опытных горных работ дороги, отличаются высокой трудоемкостью и сложностью организации работ, поэтому их применяют сравнительно редко. Поскольку возможное число таких опытов крайне ограничено, особое внимание необходимо обращать на соответствие участков опытных горных работ поставленным задачам эксперимента и степени общности получаемых при этом результатов.

 

6.3.3. Методы определения прочностных свойств.

Как уже говорилось, при изучении III - го, а тем более II - го и ниже порядка структурных неоднородностей интегральный путь определения прочностных характеристик, т. е. путь испытания образцов становится малоприемлемым и более целесообразно применять дифференциальный путь определения свойств, т.е. путь непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей того или иного порядка. Это также является тем более оправданным, поскольку прочностные свойства подчиняются схеме "избирательности-независимости", разрушение происходит в наиболее слабом звене и не зависит от прочности других структурных элементов.

Вообще необходимо признать, что определение прочностных характеристик непосредственно по поверхностям структурных неоднородностей низких порядков представляет собой до настоящего времени мало разработанную проблему геомеханики. Общепринятых методик проведения подобных испытаний нет, имеются лишь отдельные предложения и весьма небольшой опыт определения указанных характеристик.

При этом основные трудности заключаются в подготовке специальных образцов для проведения испытаний, а также в выборе подходящих методик проведения экспериментов.

 

К числу возможных методов, которые могут быть применены для непосредственного определения прочностных свойств структурных неоднородностей низких порядков можно отнести методы, которые носят название точечных испытаний пробниками.

Эти методы получили развитие, главным образом, в связи с задачами оценки свойств пород, пересекаемых при бурении разведочных, нефтяных или газовых скважин. Они основаны, как правило, на определении усилий при статическом или динамическом внедрении специального индентора в массив на заданную глубину, либо на определении глубины и площади внедрения индентора при дозированном усилии внедрения.

Известны также методы, основанные на определении геотехнологических свойств, в частности, показателей вращательного бурения (сверления) пород при стандартных режимах бурения.

Все эти методы отличаются невысокой степенью точности определений, но позволяют экспрессно оценивать прочность непосредственно структурных неоднородностей низких порядков (как, впрочем, и для объёмов пород с высшими порядками неоднородностей), а в некоторых случаях и деформационные свойства.

Однако необходимо подчеркнуть, что на определяемые показатели в случае применении этих методов оказывает существенное влияние напряжённое состояние массива.

Также находят применение и другие схемы испытаний и определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей низких порядков.

В частности, сцепление [ t ] может быть определено путем среза породных призм, оконтуриваемых в породном массиве. Породную призму в массиве оконтуривают таким образом, чтобы она сохранила связь с массивом лишь по тем поверхностям структурных неоднородностей, по которым надлежит установить сцепление. К этим поверхностям прикладываются нормальные и касательные напряжения, создаваемые специальными нагрузочными приспособлениями - гидравлическими домкратами или гидравлическими подушками (последние применяются в массивах слабых пород). На рис. 6.16, 6.17 приведены различные схемы оконтуривания породных призм и приложения сдвигающих сил.

 

 

Рис. 6.16. Схемы оконтуривания и нагружения породных призм при определении сцепления по поверхностям естественных трещин при условии одностороннего нагружения (а), двустороннего нагружения (б) и среза одновременно по двум поверхностям трещин (в).

 

Рис. 6.17. Определение сцепления по естественным трещинам в массиве скальных пород.

А - щель для размещения давильной установки; б - давильная установка, состоящая из стальных плит и гидродомкратов; в - породная призма после среза (отчетливо видны поверхности естественных трещин, по которым произошел срез).

 

При использовании указанных методов, также как и в предыдущем случае точечными испытаниями пробниками, большие погрешности в определяемые величины вносит напряжённое состояние массивов пород.

 

Указанного влияния можно избежать, если испытания проводить на специальных образцах исследуемых структурных неоднородностей.

К числу первых подобных попыток относятся результаты непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей III - го и II - го порядков для условий месторождений Чупинских слюдоносных пегматитов. При этом определялись предел прочности при одноосном растяжении [ s_р ], сцепление [ t ], j - угол внутреннего трения и f - коэффициент трения (внешнего) породы о породу по контактам структурных неоднородностей.

Для определения предела прочности на растяжение [ s_р ] весьма удобно применять метод раскалывания клиньями, при этом клинья могут устанавливаться точно на трещину, а образцы могут представлять собой пластины или призмы. Другими словами, практически без всяких изменений здесь применима методика определения прочности на растяжение для образцов-объёмов с высшими порядками структурных неоднородностей.

Иное положение с определением сцепления, угла внутреннего трения и коэффициента трения по поверхностям структурных неоднородностей.

В настоящее время наибольшее применение для определения сцепления и угла внутреннего трения находят методы испытаний специально подготовленных образцов в условиях одновременного действия сжимающих и срезающих нагрузок (схемы подобны испытаниям на срез в матрицах для образцов-объёмов с высшими порядками структурных неоднородностей).

Необходимо отметить, что помимо основных трудностей подготовки и закрепления образцов с целью обеспечения среза именно по исследуемой поверхности структурных неоднородностей, в плоскости среза создаётся крайне неоднородное поле напряжений, достаточно сильно проявляется эффект дилатансии (увеличение объёма образца вследствие его разрушения в момент среза) и по мере развития среза уменьшается площадь контакта сдвигающихся поверхностей. Всё это способствует возникновению существенных погрешностей и большому разбросу получаемых значений [ t ] и j.

В некоторой степени позволяет уменьшить возникающие погрешности методика испытаний, в основу которой положена схема кручения. При такой схеме в плоскости среза также создаётся неоднородное поле напряжений, однако оно поддаётся расчёту и может быть учтено при вычислении [ t ]. Эффект от дилатансии здесь может быть снижен путём применения статической нагрузки, а площадь контакта всё время остаётся постоянной для цилиндрических или близкой к постоянной для призматических образцов.

Для реализации испытаний методом кручения была специально сконструирована и изготовлена лабораторная установка (рис. 6.18), с помощью которой могут испытываться цилиндрические (или призматические) образцы диаметром 42 мм и высотой от 80 до 200 мм. Структурные неоднородности в образце в момент испытаний должны быть расположены по отношению к

Рис. 6.18. Установка для определения сцепления, угла внутреннего трения и коэффициента трения по поверхностям структурных неоднородностей методом кручения.

1 - нижнее неподвижное зажимное устройство; 2 - верхнее вращающееся зажимное устройство; 3 - динамометрический ключ; 4,5 - соединительные кольца и планки.

 

продольной оси образца под углом не менее 70⁰. Величина крутящего момента может быть измерена любым способом, например, с помощью динамометрического ключа.

 

Наконец, определение коэффициента трения производится в ходе тех же испытаний после разрушения образца по поверхности структурной неоднородности в процессе дальнейшего вращения и вычисляется по формуле

f = М_к / w_Р,(6.4)

где М_к -величина крутящего момента после разрушения образца по поверхности структурной неоднородности, кГ^.см.

 

Для отбора образцов с выделенным типом структурных неоднородностей на базе ручного алмазного пробоотборника конструкции ЦНИГРИ была изготовлена установка для выпиливания образцов непосредственно из стенок выработок или других обнажений горных пород (рис.6.19).

 

Рис.6.19 Пневматическая установка и образец, выпиленный с её помощью из стенки горной выработки.

 

Наконец, учитывая, что разрушение пород в массиве происходит по слабейшему звену и вне зависимости от прочностных характеристик других элементов, для определения прочностных характеристик структурных неоднородностей низких порядков могут применяться методы, основанные на применении маркшейдерской или стереофотограмметрической съемки площадей обрушения пород под землей или обрушений налегающей толщи на земной поверхности, обрушений и оползаний бортов карьеров и т.д. Эти методы позволяют методом обратных расчётов оценивать разрушающие напряжения, а по ним находить прочностные характеристики слабейшего элемента массива пород, определять характеристики сопротивления пород сдвигу для конкретного типа структурных неоднородностей, устанавливать для них значения коэффициентов структурного ослабления.