Методы определения свойств горных пород

      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 наг-ружения (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 вседствие  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.  

6.3.4. Методы изучения  геометрических характеристик

структурных неоднородностей.

      Для правильных представлений о свойствах  какого-то конкретного массива пород  недостаточно располагать данными  о механических характеристиках  объёмов, вмещающих структурные  неоднородности различного типа. Необходимо иметь представления о закономерностях  пространственного расположения и  степени распространения структурных  неоднородностей, особенно это касается структурных неоднородностей низких порядков, для которых применяется  дифференциальный путь изучения прочностных  характеристик.

      С физической точки зрения подавляющее  большинство структурных неоднородностей (геологических нарушений, контактных зон, трещиноватости и др.) с достаточной  для практических целей точностью  может интерпретироваться плитчатыми телами, ограниченными двумя параллельными  плоскостями при весьма небольших  расстояниях (мощностях) между ними. В этом случае для их исчерпывающей  геометрической характеристики необходимо определить пространственное положение  ограничивающих плоскостей (азимут линии  простирания или линии падения, угол падения), а также их видимую  длину и мощность заполнения.

      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.

      Учитывая  сказанное, методику определения геометрических характеристик неоднородностей  необходимо дополнять специальными исследованиями, направленными на создание классификаций структурных неоднородностей  рассматриваемого массива, в первую очередь по типу минералов-заполнителей.   

      Методы  изучения геометрических характеристик  структурных неоднородностей удобно рассмотреть на примере естественной трещиноватости, хотя всё изложенное в полной мере применимо и к  любым другим видам структурных  неоднородностей низких порядков.

      Задача  изучения геометрических характеристик  структурных неоднородностей заключается  в выявлении систем трещиноватости (или других неоднородностей) массива  и их пространственной ориентировки, определении протяженности трещин различных систем по простиранию  и падению, густоты (плотности) трещин с целью правильного истолкования наблюдаемых явлений и учета  этих данных при решении практических вопросов геомеханики.

      Выявление систем трещиноватости массива, определение  их пространственной ориентировки и  оценку степени постоянства этой ориентировки в пределах изучаемого массива производят посредством  массовых измерений трещиноватости. Измерения ведут обычно горным компасом точно так же, как и измерения  элементов залегания пластов  пород.

      Измерениям  непременно должен предшествовать визуальный осмотр пород в выработках. В результате такого осмотра предварительно устанавливают  общий характер и степень развития трещиноватости породного массива. При этом оценивают, насколько однородна  и равномерно развита трещиноватость пород в пределах изучаемого массива.

      Массовые  измерения трещиноватости могут  выполняться:

1.   на отдельных представительных участках массива - наблюдательных станциях;

2.   методом сплошной съёмки.

      В первом случае если массив по данным визуального  осмотра характеризуется относительно равномерным развитием трещиноватости, всю изучаемую площадь (шахтное  поле, горизонт и т. д.) покрывают  равномерной сетью наблюдательных станций, располагаемых в нескольких десятках метров одна от другой. Если развитие трещиноватости неравномерно, то расстояния между наблюдательными станциями  выбирают дифференцированно для  различных ее типов.

      Наиболее  полные и объективные данные могут  быть получены при измерениях трещиноватости в трех взаимно ортогональных  плоскостях. В этом случае для наблюдений доступны обнажения по трем граням пространственного прямоугольного параллелепипеда, и измерения трещиноватости по ним позволяют правильно охарактеризовать развитие трещин всех направлений в  данной точке массива. Поэтому удобно использовать для измерений ниши или участки сопряжений выработок.

      Размеры наблюдательных станций следует  по возможности принимать такими, чтобы в пределах станции было не менее 8-10 трещин каждой системы. Однако возможности варьирования размеров станции в подземных условиях обычно ограничены высотой выработок, вследствие чего остается возможным  лишь избрать протяженность наблюдательной станции вдоль выработки. В большинстве  случаев размеры станций по протяженности  и высоте принимают около 2 м.

      На  каждой наблюдательной станции измеряют элементы залегания всех без исключения трещин, фиксируют нормальные расстояния между трещинами одноименных  систем, устанавливают характер трещин (открытые, закрытые), их раскрытие, заполнение трещинными минералами, характер поверхностей трещин (ровные, неровные стенки, наличие  зеркал и штрихов скольжения и  пр.), протяженность трещин, степень  искривления их поверхностей.