Натурные методы изучения свойств массива горных пород

Свойства массива горных пород

МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД

Свойства массива горных пород существенно отличаются от свойств слагающих его пород, т.е. горных пород в образце. Это обусловлено сле­дующими факторами.

1. Влияние физических полей. Прежде всего, массив пород находится в сложном напряженном состоянии (горное давление), а исследуемые в лабораторных условиях образцы разгружены. Кроме того, влажность, па­раметры тепловых и электромагнитных полей в разрабатываемом массиве, как правило, отличаются от таковых при лабораторных испытаниях.

2. Масштабный эффект, т.е. зависимость свойств горных пород от их объема.

3. Сложное строение и блочность массива. Реальный массив, как правило, имеет слоистое строение, различные тектонические нарушения. Трещины разбивают массив на отдельные блоки. Все это невозможно со­хранить в отдельно взятом образце горной породы.

Горная технология направлена на разработку массива пород, поэтому для ее проектирования необходимы свойства именно массива, а не отдель­ного образца. Для их изучения могут использоваться следующие методы.

1. Натурные методы. Они заключаются в измерении свойств масси­ва горных пород непосредственно в производственных условиях (в шахте, на карьере и др.). Однако при всей очевидности такого подхода определе­ние многих свойств непосредственно в массиве связано с чрезвычайно вы­сокой трудоемкостью, а подчас просто невозможно.

2. Косвенные методы. Реализация таких методов основана на уста­новлении и использовании статистической взаимосвязи различных свойств горных пород. Взаимосвязь свойств обусловлена общностью состава и строения горных пород. Если такая взаимосвязь установлена (например, между прочностью пород и скоростью упругой волны), то в производст­венных условиях производится измерение наиболее просто определяемого параметра и косвенно оценивается величина другого. Такие методы отли­чаются невысокой точностью и преимущественно используются для оцен­ки изменчивости свойств массива при влиянии на него различных факто­ров, а не для прямого определения.

3. Расчетный метод. Основная идея метода заключается в определе­нии свойств в лаборатории на образцах пород с последующим введением поправок на все факторы, характеризующие состояние реального массива горных пород. Именно такой подход является доминирующим.

В зависимости от масштаба и характера воздействия на горные поро­ды, используют одно из следующих понятий:

1. Массив горных пород. Это понятие используют при проектирова­нии процессов, охватывающих достаточно большие объемы массива, на­пример, при расчете взрывных работ, горного давления и др. В этом слу­чае необходимо учитывать все три группы факторов, а именно; влияние физических полей, масштабный эффект и реальное строение массива.

2. Горная порода в массиве. Такое понятие применяют при локальном (точечном) воздействии на массив, например, при проектировании процес­сов бурения, резания пород. В этом случае учитывают только влияние фи­зических полей. Влияние же масштабного эффекта, слоистости и блочного строения массива в таких процессах не проявляется.

3. Горная порода в образце (часто просто используют термин „горная порода). Применяют в тех случаях, когда порода уже отделена от массива, например, при обогащении полезных ископаемых, вторичном дроблении кусков и др.

Прямые (натурные) методы дают наиболее достоверную информацию о свойствах массива горных пород и в этом смысле являются эталонными. Однако чаще всего они отличаются высокой трудоемкостью и имеют ряд негативных особенностей. Наиболее просто и теми же методами, что и в лабораторных условиях, определяются характеристики горных пород, свя­занные с распространением энергии. К ним можно отнести: скорость про­дольных и поперечных упругих волн, тепло- и температуропроводность, диэлектрическую проницаемость, электропроводность и т.п. При этом, по­скольку сигнал распространяется в реальном массиве, измеренные пара­метры отражают как влияние физических полей, так и строение массива. По скорости распространения упругих волн могут быть вычислены динамические упругие характеристики массива.

Рис.8.1. Нагружение массива горных пород: 1 -целик,2-нагрузочные плиты, 3-система гидродомкратов

В шахтных условиях широко используются пенетрационные методы, основанные на внедрении в поверхность массива различного рода инденторов (штампов). Прежде всего таким методом определяется контактная прочность пород. Кроме того, если в процессе внедрения штампа фикси­ровать напряжения и деформации, то после соответствующего пересчета можно оценить упругие и пластические свойства пород. В последнем слу­чае, поскольку масштаб воздействия очень мал, определяются свойства не массива в целом, а горных пород в массиве.

Наибольшей трудоемкостью отличаются методы определения проч­ностных и деформационных свойств массива. Идея методов состоит в создании напряжений в элементах массива, отделенных щелями или выработками от окружающих пород. Прочность при сжатии может быть определена по следующей схеме (рис.8.1). Если па испытываемый целик устано­вить реперы и в ходе нагружения с помощью маркшейдерских приборов измерять деформацию породы, то можно построить деформационную кривую и оценить упругие и пластические Свойства массива.

Рис. 8.2. Схема построения паспорта прочности массива горных пород

Важнейшей характеристикой массива является его паспорт прочности. Для построения огибающей кругов предельных напряжений проводят испытания по схеме, представ­ленной на рис.8.2. В результате испытаний на срез со сжатием получают значения разрушающего напряжения при сдвиге породы по линии под уг­лом. Различные значения углов сдвига получают путем изменения гео­метрических размеров ниши, в которой устанавливают гидродомкраты. Процедура испытаний и построения паспорта прочности ясна из рисунка. Трудоемкость методов связана как со сложностью самой организации экс­перимента, так и с необходимостью вручную (на отбойный молоток) вы­рубать в горной породе щели, оконтуривающие испытываемый объем мас­сива. При этом надо учитывать, что подготовленный к испытаниям целик уже частично разгружен и не в полной мере представляет весь массив гор­ных пород.