В нетронутом массиве горных пород (до проведения выработок) имеет место равновесное объемное напряженное состояние. Обычно делается допущение, что напряжения обусловлены только плотностью толщи пород, а массив условно принимается как однородный и изотропный.
Рассмотрим напряженное состояние керна (кубика) со стороной, равной единице измерения (рис. 1), на глубине Н(z) от поверхности. Он находится в условиях всестороннего сжатия, характеризующегося напряжениями .
Рис. 1. Схема напряжений в элементе нетронутого массива твердой горной породы
Поскольку среда принимается однородной, а оси координат произвольны, напряжения s x и s y равны. Вертикальная составляющая s z определяется массой столба породы единичной площади высотой Н:
s z = r Н,
где r – плотность породы, т/м3.
Величину возможной деформации x в направлении осей можно определить по закону Гука, из которого абсолютное удлинение стержня
,
где Dl – абсолютное удлинение стержня от действия силы Р, м; l – длина стержня до воздействия силы Р, м; Е – модуль Юнга; F – площадь поперечного сечения стержня, м2.
Отношение называется относительным продольным, а – относительным поперечным удлинением стержня. Отношение P/F = s, откуда , где s – нормальное напряжение, Н/м2. От действия сил происходят продольная и поперечная деформации кубика.
Суммарная деформация по осям х и z равна произведению
.
По осям х и у соответственно , где m – коэффициент Пуассона, .
По оси х произойдет только продольная деформация сжатия – s x /Е.
Полная относительная деформация по оси х:
,
откуда при s у = s х получим уравнение напряжения в нетронутом массиве:
.
Отношение называется коэффициентом бокового распора (обычно меньше 1).
С увеличением глубины снижается пористость пород, возрастает плотность, растут прочностные и упругие характеристики.
С увеличением глубины работ способность пород воспринимать нагрузки возрастает.
С другой стороны растут и сами нагрузки пропорционально глубине: .
С увеличением глубины снижается площадь устойчивых обнажений, активизируются реологические свойства пород.
Могут возникать горные удары – неожиданное, мгновенное разрушение пород в обнажениях или несущих конструкциях.
С увеличением глубины горно – геологические условия ухудшаются. Практика разработки месторождений показывает, что до глубины порядка 1000 м прочность той или иной породы изменяется очень мало. Более интенсивные изменения свойств пород (снижение пористости, повышение плотности, прочности, упругих свойств) происходят при дальнейшем увеличении глубины работ. Несмотря на повышение плотности, с глубиной более заметно начинают проявляться ползучесть пород, снижение устойчивости обнажений, склонность к динамическим проявлениям горного давления. Возрастание гравитационного давления с увеличением глубины является причиной повыше- ния вертикального и горизонтальных напряжений. В породах, подверженных всестороннему сжатию на больших глубинах, уменьшается объем пор и пустот, повышаются их плотность и прочность, особенно в осадочных и метаморфизованных породах.
Многие исследователи считают, что на глубинах более 1000 м верти- кальные и горизонтальные напряжения выравниваются и достигают таких величин, что породы начинают приобретать пластические свойства. Доказательством этому служат сближение и разрушение стенок скважин и боков горных выработок, пройденных даже в довольно крепких породах.
По данным исследований на угольных шахтах Донбасса при увеличении глубины с 450 до 1450 м пористость пород уменьшается в два-три раза, а их прочность возрастает на 20—80 %. Пористость песчаника на Прокопьевско-Киселевском месторождении с увеличением глубины от 300 до 1200 м снижается в 2 раза, а предел прочности на сжатие возрастает примерно на 50 % на каждом интервале в 1000 м.
На рудных месторождениях Норильского района зависимость прочности образцов пород на сжатие в интервале глубин от 200 до 1500 м характеризуется следующими корреляционными зависимостями:
для габбро-диабазов
асж = 61 + 0,33Н, МПа;
пикритовых габбро-диабазов
асж = 90 + 0,38Н;
сплошных сульфидных руд
асж = 71 + 0,26Н.
Донбасс:
Песчаник с увеличением глубины от 450 до 1450 м. Пористость уменьшается в 2 – 3 раза, прочность возрастает на 50 – 80 %
Кузбасс: (осадочные)
Н с 300 до 1200 м.
пористость < в 2 раза
прочность > на 50 %
Однако, как показало сверхглубокое бурение в кристаллических породах, закономерное увеличение плотности подтверждается не всегда. При бурении Кольской сверхглубокой скважины обнаружено, что резкое повышение давления отмечается на глубине до 3 км, а затем на отметке 8 км оно заметно падает. Отмечается уменьшение плотности с увеличением гранитизации пород и возрастание ее с повышением содержания рудных минералов. На глубинах 4—8 км наблюдается разуплотнение пород, вызванное увеличением трещиноватости. Это присуще как метаморфическим, так и осадочным породам. На всей длине скважины по зонам тектонических нарушений наблюдались выделения газов (гелия, водорода, азота, метана) и притоки сильно минерализованных вод, насыщенных бромом, йодом, тяжелыми металлами. Это показывает, что на больших глубинах имеются благоприятные условия для образования полезных ископаемых. На глубине 9,5км в Кольской скважине выявлены признаки минерализации (обнаружены сульфиды, магнетит, мусковит, флогопит).
Дата: 2019-02-25, просмотров: 300.