Методы определения свойств горных пород

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).

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

1 - источник  гамма-излучения; 2 - детектор; 3 - образец  породы; 4 - радиометр для регистрации  гамма-излучения.  

      Зная  гамма-активность источника, расстояние r между источником и детектором и толщину d образца и регистрируя интенсивность гамма-излучения, прошедшего через образец породы, определяют по специальным номограммам плотность породы r. Гамма-метод определения плотности отличается простотой и высокой производительностью измерений с применением несложной серийной аппаратуры и обеспечивает точность 1-3 %.

      Определение удельной массы r₀ (удельного веса g₀) в принципе не отличается от определений объёмного веса и плотности, но при этом необходимо обеспечить вскрытие всех пор и удаление газовой и жидкостной составляющих испытуемой породы.

      В некоторых задачах геомеханики, и особенно при физической интерпретации  результатов наблюдений, в ряде случаев  требуются сведения о влажности пород. Влажность выражают процентным отношением веса воды, содержавшейся в образце породы, к весу образца после его высушивания. Для определения влажности образец сначала взвешивают в естественном состоянии, а затем доводят до постоянного веса в эксикаторе или в сушильном шкафу при температуре 105-110°С. Сопоставляя вес влажного образца G₁ и вес сухого образца G₂, влажность вычисляют по формуле        

      G₁ - G₂

      W = ------------100.                                                                          (6.2).             

      G₂