Характер деформирования образца

Напряжение

Участок кривой

Направление

по вертикали по горизонтали
0 – a 0 -a закрытие пор и трещин тот же процесс, но менее активный
a – b a  - b   деформирование скелета тот же процесс, но менее активный
b – c b - c тот же процесс - - раскрытие старых и появление новых трещин
c – d c  - d активное раскрытие трещин, вплоть до разгружения тот же процесс, но менее активный

 

 – длительная прочность

 – предел мгновенной прочности

Горные породы, как известно, относятся к группе физически анизотропных материалов, неодинаково сопротивляющихся сжа­тию-растяжению. Поэтому следует различать модуль деформации в зависимости от направления действия нагрузки.

Результаты отдельных исследований показывают, что для не­которых типов сланцев модуль деформации при сжатии в 1,2— 1,5 раза больше, чем при растяжении. Для норита это отношение составляет 1,1, а для суглинков—1,5—5. Различие в деформа­ционных характеристиках при сжатии и растяжении объясняется разными характерами процессов деформирования. Если при сжа­тии можно различить несколько последовательно протекающих стадий, таких как закрытие имеющихся трещин, образование но­вых, их неустойчивое распространение с последующей потерей прочности породы, то при растяжении все указанные процессы протекают практически одновременно.

Деформационные характеристики горных пород зависят от вида напряженного состояния. При переходе от одноосного сжатия к объемному модуль деформации увеличивается. Это явление связано с изменением плотности образца и наиболее характерно для пористых пород. В частности, при увеличении всестороннего давления от 0 до 100 МПа модуль деформации известняка увеличился на 10%, у глины на 12,5%,. а для известковистого песчаника это увеличе­ние составило 35—40 %.

Скорость нагружения также оказывает влияние на величину модуля деформации горных пород. Исследованиями, проведен­ными в ИГД им. А. А. Скочинского, установлено, что отношения средних значений модулей деформации при максимальной скоро­сти нагружения (100 МПа/с) к значению модулей деформации при минимальной скорости (0,1 МПа/с) составляют: для извест­няка— 2,1; габбро—1,75, песчаника — 2. Такое влияние скорости нагружения объясняется тем, что при невысоких скоростях нагружения наряду с упругими проявляются и вязкоупругие деформации, которые при высоких скоростях проявиться не успевают.

 

Контрольные вопросы:

1. Деформационные характеристики горных пород?

2. На какие группы делятся деформационные характеристики горных пород в зависимости от времени действия нагрузок?

3. Чем характеризуются упругие свойства горных пород? Перечислите основные факторы, которые их определяют.

4. Виды деформаций горных пород.

5. Какими приборами можно измерить деформационные характеристики горных пород?

 

Модуль 2. Изучение трещиноватости и механических свойств горных пород

Раздел 5. Деформирование и разрушение горных пород. Прочностные, деформационные и реологические свойства горных пород

Тема 7. Методы определения свойств горных пород

ЛЕКЦИЯ № 1 1

План лекции

8. Показатели деформируемости горных пород.

9. Реологические свойства горных пород

После достижения предела прочности образец или элемент конструкции сохраняет свою несущую способность. Это свойство в последние годы пытаются использовать в практических целях. Увеличивая тем самым срок службы или используя время для принятия мер по восстановлению несущей способности, хотя бы частично.

Показатель деформируемости пород

 Основным показателем является модуль упругости. Применительно к горным породам в этот показатель вкладывается разные содержания и методика определения в зависимости от крепости пород.

В крепких породах Е-модуль пропорциональности и определяется исходя из диаграммы деформирования.

         раз                    раз- разрушающее напряжение(предел прочности)

                                 раз

                                                                               у- относительная упругая деформация

 

          у

Основной показатель деформируемости определяют для прямолинейного участка кривой

=

Для слабых пород и средней крепости Е-модуль общей деформации

Из диаграммы деформирования

 

 

                      

Относительные деформации (  и коэффициент Пуассона определяется для тех же точек диаграмм деформирования ,что и Е.

Есж-(1,2-1,5)Ераст                                    сж- сжатие

Един-(1,1-1,6)Ест                                     раст- растяжение

Еv-(1,1-1,4)Ео                                         дин- динамическое нагружение

                                                   ст- статическое нагружение

                                                      v- объемное напряженное состояние

                                                   о- одноосное напряжение

Деформирование массива горных пород

Диаграмма деформирования массива (целика)

 

ОА- закрытие пород и трещин

АБ- деформирование скелета

ВС- появление новых трещин, их активное раскрытие

С-момент разрушения

 

 

Деформация массива происходит за счет разворота элементарных блоков. На упругие свойства массива в значительной мере влияет его нарушенность.

Емассива Еобразца

Ем(0,05-0,2)Ео

Для элементарных блоков, ограниченных трещинами и имеющих объем 0,1-1,0 м. Ем Ео, .

Для участков массива, имеющего объем 50-500м с развитой твердостью Ем о и может быть определено на основании крупномасштабных испытаний. При трехосном напряженном состоянии модуль упругости Ем возрастает.

Связь элементарных блоков (характер контактов)

1) Сплошной

                  1                     трещина

                                          2

 

1,2 – элементарные блоки

 

2) Участковый

                     1

               

                       2

3) Точечный

1

            2

Реологические свойства горных пород

Деформируемость пород зависит не только от величины нагрузки, но и от времени ее приложения.

Показатели реологических свойств

1)Ползучесть

2)Релаксация

3)Длительная прочность

Ползучесть - медленное нарастание пластической деформации во времени при постоянной нагрузке.

                                           ε

                          

                           

                           

                           

        

                                     t1 t2 t3 t    

-деформация в момент напряжения (мгновенная)

II – участок установившейся ползучести

III – участок прогрессирующей ползучести (разрушение)

 

Механика горных выработок оперирует условными механическими моделями массива, которые строятся на основании физических закономерностей деформирования и разрушения, горных пород, устанавливаемых механикой горных пород. Механические модели "идеализируют" массив, отражают только главные существенные его свойства:

сплошность, под которой понимается заполненность материалом всего объема тела, ограниченного его поверхностью, включая бесконечно малые объемы в окрестности каждой точки;

однородность – это одинаковость свойств материала в различных точках тела;

изотропность – одинаковость свойств материала во всех направлениях, проходящих через данную точку. Если свойства материала различны в различных точках, то мы имеем дела с анизотропным материалом.

    Для наглядного механико-математического описания деформационных свойств горных пород используются структурные модели, представляющие комбинации упругого, вязкого и пластического элементов.

    Упругий элемент (элемент Гука) графически изображается как пружина и характеризует линейную связь напряжений и деформаций, не зависящую от времени:

.                                       

    Вязкий элемент (элемент Ньютона) изображается как гидравлический амортизатор; скорость деформирования вязкого элемента пропорциональна действующему напряжению:

                                               

    Пластический элемент (элемент Сен-Венана) изображается в виде фрикциона, проскальзывающего при определенном усилии. Деформация элемента равна 0, пока действующие напряжения  меньше характеристики элемента  и неопределенна, когда .

    Поведение реального массива обычно описывается сочетанием геомеханических моделей – от упругой до пластической в зависимости от действующих в массиве напряжений, его физико-механических свойств и времени воздействия дополнительных нагрузок, связанных с ведением горных работ.

    Для скальных пород с высокими показателями прочностных и деформационных свойств (гранит, кварцит, диабаз, песчаник, порфирит и др.), испытывающих сжимающие нагрузки, основные закономерности механических процессов с достаточной точностью могут быть исследованы на основании упругой модели, то есть методами теории упругости. Применение этой теории допустимо также для массивов, сложенных породами средней прочности и упругости, учитывая, что пластические и вязкие свойства проявляются не мгновенно. Показатели длительной прочности определяются по мето­дике испытаний на ползучесть. При этом образцы, находящиеся под постоянными нагрузками, составляющими 90, 80, 70, ..., 10 % предела прочности горной породы, доводятся до разрушения или до явно выраженного прогрессирующего течения. Регистрируя время от начала нагружения до разрушения образцов (для се­рии опытов, проведенных при различных уровнях напряжений), строят в прямоугольной системе координат кривую длительной прочности. Предел длительной прочности опре­деляют по этой кривой как напряжение, вызывающее разруше­ние при заданном времени t , которое обусловливается длитель­ностью службы объекта. Часто за предел длительной прочности принимают максимальное напряжение, не вызывающее разруше­ния образца за время 1000 ч.

Получение значений реологических свойств горных пород тре­бует долговременных наблюдений за поведением материалов в определенных условиях. В связи с этим находят применение ме­тодики ускоренных испытаний с последующим перерасчетом полученных данных на статический режим. Среди них можно отметить следующие:

- экстраполяционно-экспериментальные, использующие дан­ные, полученные при сравнительно небольшой продолжительно­сти испытаний, различной скорости нагружения образцов горных пород, ступенчатом приложении нагрузок с выдержкой на каж­дой ступени;

- качественно-физических аналогий, основанные на аналогично­сти характера деформирования пород при ползучести, обратном упругом последействии и релаксации;

- с использованием ползуче-релаксационного режима испы­таний, основанного на свойстве суммирования повреждений;

- упрощенные испытания путем вдавливания индентеров раз­личной формы в образец при постоянной нагрузке за определен­ный период времени с регистрацией деформации;

- интенсифицирующих воздействий, использующие дополни­тельное действие температуры, давления, вибрации и других факторов на процессы ползучести, релаксации и разрушения пород.

Контрольные вопросы:

1. Показатели деформируемости горных пород.

2. Реологические свойства горных пород.

3. Перечислите факторы, от которых зависит ползучесть горной породы.

4. Какие структурные модели используются для наглядного механико-математического описания деформационных свойств горных пород?

5. Каким образом имитируются вязкие, упругие и пластические свойства пород?

 

Модуль 2. Изучение трещиноватости и механических свойств горных пород

Раздел 5. Деформирование и разрушение горных пород. Прочностные, деформационные и реологические свойства горных пород

Тема 7. Методы определения свойств горных пород

ЛЕКЦИЯ № 1 2

План лекции

1. Изменение механических свойств пород под воздействием гравитационных сил.

2. Влияние обводненности, газоносности, температуры на свойства горных пород.

 

Температурные поля в массиве горных пород формируются под воздействием солнечной радиации и тепловых потоков поступающих из недр Земли. Температура горных пород, слагающих месторождения, зависит от многих факторов: строения и состав пород, глубины залегания, наличия термоаномалий, циркуляции глубинных вод и газов, происходящих в породе химических реакций и других причин. Она оказывает существенное влияние на агрегатное состояние массива (мерзлые и талые породы), физико-механические характеристики, водо- и газопроницаемость, температуру рудничного воздуха на выбор способов вскрытия, подготовки и системы разработки, порядок отработки месторождения.

Для земной коры средний температурный градиент составляет око ло 30°С на 1 км. Геотермическая ступень в среднем равна 30-40 м на 1 °С (колеблется в пределах от 2 до 230 м/ °С), для рудных месторождений - 45-50 м/ °С и выше.

Наиболее высокие значения температуры на одинаковых глубинам характерны для осадочной толщи по сравнению с магматическими и метаморфическими породами. По данным исследований американских сверхглубоких скважин, пробуренных в осадочных породах, температура пород на глубине 8,7 км была 212 °С, при 9,1 и 9,6 км — соответ ственно 232 °С и 243 °С. В некоторых скважинах длиной 5,5-6,6 км она была еще выше (230-280 °С) . Отечественные исследования показывают, что температура пород, равная 55°С, в Донбассе будет на глубинах 1,4-1,7 км, а в Криворожском бассейне — только на 2,3 км.

О различных значениях температурного градиента свидетельствуют примеры глубоких рудников мира. Если на рудниках ЮАР на глубине 2,5 км температура пород несколько выше 40 °С, то в районе Колар (Индия) - около 55°С. Измерения в Кольской сверхглубокой скважине показали, до глубины 3 км на каждые 100 м температура возрастала на 1 °С, ниже 3 км - на 2,5 °С. На глубине 7 км температура пород была 120 °С, а на 10,5 км - 180 °С.

Изменение температуры приводит к появлению в породах термических напряжений, вызывающих деформации растяжения или сжатия. Отмечено, что с повышением температуры модули упругости и сдвига как правило, постепенно снижаются, а коэффициент Пуассона возрастает. Это объясняется изменением внутренних связей между частицами материала под воздействием тепла.

Рыхлые влажные породы с повышением температуры или усыхают спекаются и становятся более упругими (глины), или, наоборот, превращаются в дискретную массу (пески). В случае охлаждения (замораживания) влажных рыхлых пород связи между отдельными частицами могут возрастать настолько сильно, что они превращаются в твердые упругие породы, обладающие высокой устойчивостью.

Влияние температурного фактора на изменение агрегатного состояния пород и их физико-механические характеристики особенно ярке проявляется при разработке рассыпных месторождений в осадочных вечномерзлых породах.

Мерзлые породы, состоящие из отдельных частиц, сцементированпых льдом, существенно изменяют свои свойства при снижении темпе­ратуры от 0 до — 10°С. При повышении температуры от —4 до —1 °С породы становятся более пластичными и менее устойчивыми, а при более низких температурах — обладают достаточно высокими упругими свойствами и допускают при разработке значительные площади под­работки (более 4 тыс. м2) и пролеты незакрепленной кровли до 20 м, что соответствует устойчивости кровли камер на рудных месторож­дениях (Джезказган).

Многолетнемерзлые породы, к тому же, обладают высокой пластич­ностью и поэтому их длительная прочность на разрыв ниже мгновенной в 12-15 раз, на сжатие — в 2,0—2,5 раза. Следствием этого является постепенное снижение устойчивости целиков и кровли камер во времени и с увеличением площади подработки. При выемке панелей лавами, с оставлением внутризабойных целиков параллельно лаве, скорость опу­скания кровли в забое изменяется от 0,8 до 1,2 мм/сут, а абсолютная ве­личина прогиба кровли на границе с призабойным пространством колеб­лется от 70—130 до 280—310 мм. Поэтому при отработке россыпных месторождений в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород могут применяться системы с открытым очистным пространством или с обрушением налегающих пород. Существенно могут изменяться не только способы управления состоянием массива горных пород, но и способы ведения очистных работ.

Скальные породы при глубоком охлаждении (до минус 100— 196°С), наряду с увеличением статической прочности, становятся менее пластичными, склонными к хрупкому разрушению.

Влияние обводненности. Обводненность массива горных пород зависит от гидрологического режима месторождения, который опре­деляется распределением водных ресурсов в регионе, водопроницаемо­стью и фильтрационными свойствами пород, напором и дебитом подзем­ных пород.

Прилегающая к земной поверхности часть толщи горных пород под­вержена совместному влиянию атмосферных осадков и проникающих из глубины водяных паров. Располагаемая ниже уровня грунтовых вод зона насыщения трещин и пор водой, находится в состоянии гидроста­тического давления.

Вода, заключенная в массиве горных пород, обладает различной сте­пенью подвижности. Неподвижная вода бывает связана с породами хи­мически или адсорбирована поверхностью трещин и пор. Очень малую подвижность имеет капиллярная вода. Свободная вода, подверженная давлению вышележащих пород, наиболее активна, Она обладает высокой способностью к фильтрации и циркуляции. Степень взаимодействия вод с горными породами зависит от температуры и химического состава пород. В результате образуются сульфатные, карбонатные, хлоридные, углекислые, сероводородные, бактериологические, радиоактивные воды.

Водопроницаемость скальных пород обусловлена величиной на­пора вод и способностью их к выщелачиванию (растворению) имеющихся в породах минералов, степенью трещиноватости массива, разме­рами и ориентировкой трещин.

Считается, что в скальных породах наиболее применим закон Дарси, согласно которому расход профильтровавшейся жидкости определяется как

Q = KSi                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

где К — коэффициент фильтрации, зависящий от геометрии пор, для слабопроницаемых пород К<10-8 см/с; i- градиент напора (прираще­ние напора, отнесенное к длине пути фильтрации); S - площадь попе­речного сечения потока.

Скорость фильтрации v — Ki зависит от направления системы трещин. Если трещина в породе характеризуется параллельными поверхностями, то скорость фильтрации через одну трещину постоянной ширины

v=e 2 yi /( l 2 v ),

где е — раскрытие трещин; у - удельный вес жидкости; v — ди­намическая вязкость.

Существенно повышается фильтрация пород, подверженных растя­гивающим напряжениям, так как в этом случае наиболее вероятно по­явление микро- и макротрещин. Вначале с увеличением давления пори­стость пород уменьшается и, следовательно, снижается их проницае­мость. Затем при определенной критической нагрузке, когда начинают развиваться микротрещины, коэффициент фильтрации возрастает.

Под влиянием гравитационных сил несжимаемая жидкость, заклю­ченная в порах и трещинах, оказывает значительное поровое давление на твердый скелет породы.

Отмечено, что в водонасыщенных породах по сравнению с сухими значение модуля деформации снижается, породы приобретают пласти­ческие свойства, становятся менее устойчивыми. Особенно опасными в этом отношении являются глинистые породы, известняки, песчаники с низкой прочностью на сжатие.

На рудных месторождениях СССР наибольшее распространение име­ют трещино-грунтовые и трещино-жильные воды в коренных породах

-различного литологического состава. Реже встречаются пластовые воды артезианского типа напорных горизонтов. К основным факторам, фор­мирующим подземные воды, относятся такие свойства горных масси­вов, как мелкая трещиноватость регионального масштаба, тектониче­ская нарушенность, степень дислоцированности пород, химическая активность (карбонатные воды), образование карстов.

Гидродинамика подземных вод обусловливается взаимосвязью между дебитами водных потоков и давлением в различных участках массива горных пород при стационарном (постоянном) и нестационар­ном режимах фильтрации. При разработке месторождений подземные во­ды могут попадать в горные выработки, обводнять породы в зонах сдви­жения и обрушения. Особенно опасны внезапные прорывы вод в под­земные выработки. Для создания безопасных и эффективных условий отработки на месторождении проводятся специальные работы по осуше­нию шахтных полей.

Влияние газоносности. В массиве горных пород газы могут встреча­ться в свободном, растворенном, сорбированном или в твердом состоя­ниях (в виде кристаллогидратов). Газовые компоненты бывают пред­ставлены как отдельными атомами, так и сложными химическими соединениями. Наиболее распространены углекислый газ СО2, оксид углерода СО, метан СН4, сероводород H2S, сернистый газ SO2, азот N2, водород Н2 и др. Часто они бывают в виде различных смесей. Присутствие газов в породах объясняется миграцией из атмосферы, биохимическими и химическими реакциями, происходящими в породах, вулканической деятельностью, радиоактивностью пород.

В изверженных и метаморфических породах накопление газов в глубинных горизонтах объясняется дегазацией верхних слоев магмы. В результате вулканической деятельности через трещины и поры вме­сте с парами воды (90 % по объему) поступают газы, содержащие СО2, СО, СН4, H2S, SO2, H2? N2, HC1, HF и др.

Радиоактивные газы образуются в процессе распада радиоактивных элементов. Среди них встречаются гелий, эманации радия, тория и др.

Наличие в породах сообщающихся между собою трещин, пор и пустот, а также перепады давления обеспечивают хорошую миграцию газов различного происхождения в свободном или растворенном состоя­ниях и смешивание их между собою. Газопроницаемость пород снижа­ется при уплотнении и цементации пород, увеличении содержания гли­нистых примесей. Малопроницаемы мелкозернистые слабо трещиноватые породы.

Газопроницаемость, как и водопроницаемость пород оценивается коэффициентом проницаемости или фильтрации Кпр по уравнению Дарси.

За единицу газопроницаемости горной породы принимают дарси (Д)-проницаемость образца породы площадью сечения 1 см2, длиной 1 см при перепаде давления 0,1 МПа, вязкости газа 1 сПз и расхода его 1 см3/с.

По величине Кпр все горные породы в зависимости от пористости и гра­нулометрического состава зерен разделяются на 5 классов.

На газопроницаемость пород влияет удельная плотность микротре­щин. С увеличением сжимающих напряжений газопроницаемость внача­ле снижается из-за смыкания трещин и уменьшения пор, а затем при росте нагрузок на породу и появлении микротрещин давления - возра­стает. Критические напряжения для появления микротрещин во многих случаях не превышают 20—25 % от разрушающих. Микротрещины могут появляться при циклической нагрузке - разгрузке пород.

Определение газопроницаемости на практике обычно производится газометрами по расходу газа в единицу времени. Газоемкость породы определяется количеством газа, который может быть поглощен едини­цей объема или массы породы, включая газ в свободном или сорбирован­ном состоянии.

Степень заполнения пустот горных пород (трещин, пор, каверн) газами характеризует их газонасыщенность, которая оценивается вели­чиной коэффициента газонасыщения:

Kr = Vr / V п ,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

где V Гобъем природного газа, заполняющего породу; Vnобъем открытых пор и пустот в породе.

Предельное состояние газонасыщенных пород можно рассматривать как условие равновесия Кулона в твердом скелете породы, находящей­ся под действием напряжений со стороны окружающих пород и гидро­статического сжатия сплошного материала газами, заключенными в по­рах (поровое давление).

Для обеспечения устойчивого состояния газонасыщенных пород и предупреждения внезапных выбросов газов и пород производится пре- дварительная дегазация пород из горных выработок или с поверхности до начала горных работ в блоке, на участке, шахтном поле.

Контрольные вопросы:

1. Как глубина влияет на величину напряжений в массиве породы?

2. Как меняются свойства горных пород с изменением температуры?

3. Как влияет обводненность на прочностные свойства горных пород?

4. Приведите состав и структуру газов, циркулирующих в горных породах.

5. Каким образом предотвращаются внезапные выбросы газов при разработке газоопасных месторождений?

 

Модуль 3. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород

Раздел 6. Напряженно-деформированное состояние нетронутого массива горных пород

Тема 8. Напряженное состояние нетронутого массива

ЛЕКЦИЯ № 13

План лекции

3. Напряженное состояние нетронутого массива.

4. Геодинамическое районирование.

Особенностью механического состояния породных массивов яв­ляется естественное напряженное состояние пород, которое имеет место до производства горных работ и определяет характер меха­нических процессов в массивах при производстве горных работ. Напряженное состояние породных массивов в естественных усло­виях будем называть начальным напряженным со­стоянием в отличие от дополнительного напряженного состоя­ния, вызванного производством горных работ. Изучение началь­ного напряженного состояния имеет первостепенное значение для прогнозирования проявлений механических процессов, т. е. прояв­лений горного давления, и для разработки мероприятий по упра­влению состоянием породных массивов.

Начальное напряженное состояние породных массивов в самом общем случае является функцией пространственных и временной координат. Поэтому факторы, влияющие на его формирование целесообразно подразделить следующим образом: действую­щие постоянно и повсеместно (гравитационное поле, температур­ное поле, физико-механические свойства и структурно-механиче­ские особенности массивов, рельеф земной поверхности и др.) и действующие временно и локально (тектонические, горообразовательные, гидродинамические, газодинамические и другие процессы в массивах).

Оценив влияние перечисленных факторов, необходимо под­черкнуть, что основными являются силы гравитации, или вес гор­ных пород. В связи с этим удобно рассматривать начальное на­пряженное состояние как сумму составляющей от гравитации и составляющей от остальных факторов, полагая, что остальные факторы искажают начальное напряженное состояние, образовав­шееся под действием сил гравитации. Это не значит, что вторая составляющая превосходит гравитационную составляющую.

По форме Земля мало отличается от сферы со средним радиу­сом 6371 км. Неоднородности ее поверхности, породные массивы, глубокие впадины в океанах не отражаются на в целом симмет­ричном распределении масс. Поэтому принято в качестве модели Земли рассматривать только радиальное распределение физиче­ских параметров вещества и химического состава.

Наиболее плотное вещество находится в ядре радиусом около трех с половиной тысяч километров. Плотность вещества в ядре изменяется с глубиной от р=9,9 г/см3 до р = 12,5 г/см3. Давление в центре Земли достигает 0,35 • 106 МПа. Ядро окружено менее плотной мантией: у ее верхней границы р = 3,3 г/см3, на границе с ядром р=5,5 г/см3 (средняя плотность вещества всей Земли р = =5,5 г/см3).

Поверхностный слой (5—10 км под океанами, 30—40 км под горными стропами) с плотностью р = 2,85 г/см3 носит название коры.

Анализ распространения упругих волн в Земле позволил вы­явить границы областей с различными механическими характери­стиками и построить весьма детальную модель внутреннего строе­ния Земли. Так, на границе между корой и мантией наблюдается скачкообразное возрастание скоростей продольных и поперечных волн (от 6,5 до 8,0 км/с и от 3,7 до 4,7 км/с соответственно). По имени югославского геофизика, выделившего эту границу, граница называется границей Мохоровичича. До глубины примерно 250 км скорость продольных волн в мантии сохраняется на уровне 8 км/с, а затем увеличивается до 14 км/с на границе с ядром. Скорость поперечных волн в мантии на глубине 70—100 км уменьшается с 4,8 до 4,3 км/с, а затем, начиная с глубины 200—250 км, воз­растает до 7,2 км/с на границе с ядром. На глубинах ~400 и ~700 км наблюдаются узкие зоны быстрого увеличения скоростей упругих волн.

Область пониженных скоростей поперечных волн в верхней мантии одновременно характеризуется пониженными значениями добротности, что объясняется возрастанием температуры с глуби­ной и, возможно, частичным расплавлением вещества. Называется эта область астеносферой. Твердую верхнюю оболочку (земная кора и верхняя мантия глубиной ~ 100 км) называют лито­сферой.

Непрерывное возрастание скорости поперечных волн с глуби­ной под астеносферой свидетельствует о том, что рост давления подавляет эффекты, связанные с разогревом, так как с давлением повышается температура плавления вещества.

Границы на глубинах ~400 и ~700 км принято связывать с фазовыми переходами, а граница мантия—ядро — обусловлена различием химического состава вещества в них (предположи­тельно ядро состоит в основном из железа, а мантия — из силика­тов).

Неровности поверхности и наблюдаемые ее деформации сви­детельствуют об отсутствии механического равновесия в коре и верхней мантии. Можно полагать, что в астеносфере, где сильны диссипативные процессы, имеются и активно действующие силы.

Лабораторией горного давления и сдвижения горных нирид ВИОГЕМ с 1969 г. выполняется комплекс исследований по опре­делению характеристик современных полей напряжений массивов горных пород центрального участка бассейна КМА. Задача этих исследований — непосредственное определение параметров полей напряжений, осуществляемое шахтными измерениями методом полной разгрузки, и определение структурной раздробленности массивов пород путем изучения интенсивности и характера тре­щинной расчлененности. Исследования проводятся на Коробковском месторождении железистых кварцитов, отрабатываемом шах­той им. Губкина.

Месторождение представлено мощной залежью железистых кварцитов, приуроченной к району замыкания Коробковского антиклинала. Залежь характеризуется сложным складчатым строением. Кроме пликативной дислоцированности, массив расчле­нен крупными разрывными нарушениями, заполненными диорит-порфиритами и гнейсами. Мощность этих нарушений — даек ко­леблется от нескольких сантиметров до нескольких метров, про­тяженность достигает сотен метров. Интенсивность распростране­ния даек в юго-восточной части шахтного поля — 2—3 на 100 м, в северо-западной —1—2 на 100 м. Исследованиями структурно- тектонических проявлений, проведенных более чем в 20 тыс. точек установлено, что, кроме крупных дизъюнктивных нарушений, массив пород расчленен четырьмя системами трещин.

Исследование напряжений проведено на восьми экспериментальных участках, располагающихся на различных глубине в центральном и северо-западном участках шахтного поля. Измерения проведены более чем в 500, точках методом полной разгрузки торца скважины. При анализе результатов шахтных определений параметров поля напряжений учтен эффект масштабности, т. е. несоответствия упругих характеристик массива образцов горных пород, на которых эти характеристики определялись в соответствии с известными методиками определена напряженного состояния горных пород.

Анализ экспериментальных данных позволяет охарактеризовать современное поле напряжений на данном участке КМА как результат взаимодействия гравитационных и тектонических сил.

Все напряжения в массиве сжимающие, причем субгоризонтальные главные нормальные напряжения по абсолютной величине больше, чем субвертикальные. Изменения напряжений описываются эмпирическими зависимостями и представлены на рисунках 1 и 2:

 

Рис. 1. Изменение величин главных напряжений в зависимости от глубины.

Напряжения s1— субвертикальные, s2 и а s3 — субгоризонтальные

 

Количественная оценка естественного напряжен­ного состояния массива пород месторождения дает основание счи­тать, что в горизонтальном направлении напряжения обусловлены главным образом тектоническими усилиями, приложенными к мас­сиву, по двум субгоризонтальным направлениям: по простиранию и вкрест простирания основных геологических структур района. Причем в направлении простирания основных структур участка величины усилий наибольшие.

Исследования показывают, что и в настоящее время массив пород района месторождения испытывает активное тектоническое сжатие, причем именно в направлении слоистости. Анализируя современное состояние изучаемого участка с точки зрения дина­мики формирования этого состояния, правомерно предположение о цикличном, волновом характере тектонических воздействий на обширном пространстве, соразмерном с Русской платформой. В связи с этим современное напряженно-деформированное состоя­ние массива пород района месторождения можно оценить как состояние, обусловливаемое тектоническими воздействиями либо на стадии затухания сжатия, либо на стадии начала снятия сжи­мающих усилий.

 

 

 

Рис. 2. Распределение вертикальных напряжений в массиве.

 

Наличие разломов в породном массиве и его блоковое строение отмечается во всех исследованиях по геоморфологии и инженер­ной геологии. Однако выявление полной картины представляет собой трудную методическую задачу. Не все разломы хорошо раз­личимы на поверхности, не всегда можно дать оценку величины разлома, трудно на карту одного масштаба нанести разномасштаб­ные разломы и трещины.

Субъективный момент в исследованиях геологических структур очень велик, и поэтому сбор материала из разных источников, полученного разными гео­логами по одному и тому же региону, далеко не всегда может дать целостное представление об истинном строении того или иного массива.

Поэтому для структурного анализа было выбрано иссле­дование «Палеозойская тектоника Западной части Туркестанского хребта», в котором ее автор уделил много внимания блоковой структуре массива и отметил разломы на структурно-геологиче­ских профилях. При этом важно, что все разломы были выделены в результате работы на натуре одним исследователем. Е. А. Рого­жин наблюдал разломы по долинам рек, которые обнажают есте­ственные поверхности, так что поверхностные распределения отдельностей по размеру в соответствии со сказанным в предыду­щем параграфе не нуждаются в корректировке. Однако неболь­шая глубина вреза долин рек в массив позволяет зафиксировать фактически только линейное распределение отдельностей по раз­меру вдоль дневной поверхности, т. е. вдоль линии, произвольно секущей структурные элементы. В этом случае линейное распреде­ление блоков по крупности, соответствующее структуре разруше­ния, должно описываться формулой:

Где Liдлина блока, м; L 0линейный размер минимального блока, м;

niчисло отдельностей на единицу длины, m – массовая доля блока.

Полученные зависимости дают представление о синтезированном образе структуры нарушенности в различных формах ее проявления.

Контрольные вопросы:

1. Чем обусловлено естественное напряженное состояние пород?

2. Как меняются свойства горных пород с глубиной залегания?

3. Какие факторы влияют на формирование естественного напряженного состояния массива пород?

4. Как изменяются характеристики горных пород в зависимости от глубины залегания?

5. Как производится количественная оценка естественного напряжен­ного состояния массива пород?


Модуль 3. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород

Раздел 6. Напряженно-деформированное состояние нетронутого массива горных пород

Тема 8. Напряженное состояние нетронутого массива


ЛЕКЦИЯ № 14

План лекции

5. Влияние глубины на механические свойства пород.

6. Изменение свойств пород под воздействием гравитационной составляющей.

Дата: 2019-02-25, просмотров: 179.