60. Акустические свойства горных пород.

Происходящие в земной коре динамические процессы в виде горных ударов, толчков, землетрясений и др. сопровождаются распространением в породах упругих волн, т.е. знакопеременных упругих деформаций.

Акустические свойства пород характеризуют закономерности распространения в породах упругих волн. Акустические св-ва горных пород используют для: оценки однородности минерального состава; прогноза структурно-текстурной неоднородности горных пород; контроля прцессов деформирования и разрушения горных пород; контроля изменения напряженного состояния горных массивов; контроля и определения влажности пород.

Процесс распространения упругих колебаний в породе описывается волновым уравнением:

Упругие волны по частоте колебаний делятся на инфразвуковые с частотой до 20Гц, звуковые с частотой 20 -20000 Гц, ультразвуковые с частотой 20000-109 Гц, гиперзвуковые с частотой более 109 Гц.

В зависимости от вида других деформаций выделяют волны продольные, поперечные, поверхностные.

Продольная волна характеризует распространение в материальной среде деформации сжатия и растяжения ( твердой, жидкой, газообразной средах). Поперечная волна характеризует распространение в среде деформации сдвига только в твердых телах).

Основные акустические свойства горных пород являются: скорости распространения в них продольных (νр), поперечных (νs) и поверхностных (νL) волн, акустическая жесткость, коэффициенты поглощения, преломления и отражения волн. Во всех случаях νр > νS >νL.

61.. Сдвижение горных пород при очистной выемке

В зависимости от деформационных и прочностных характеристик пород, непосредственно примыкающих к контуру

выработки, могут иметь место различные виды деформаций пород на контуре выработок или их разрушение. В разнообразных горно-геологических условиях в зависимости от свойств пород процессы деформирования и разрушения в

стенках, кровле и почве выработок имеют те или иные характерные признаки и соответственно классифицируются, как различные виды проявлений горного давления.

Сразу же после образования очередного участка выработки в результате взрывания комплекта шпуров или механического разрушения вследствие воздействия рабочих органов машин породы вокруг выработки, практически, мгновенно упруго деформируются. Это деформирование охватывает значительную область вокруг выработки, в том числе и вокруг ранее пройденной части этой же выработки на некотором расстоянии позади забоя. Упругое деформирование пород в выработках иногда может сопровождаться интенсивным хрупким разрушением пород с выделением значительного количества энергии.

Если действующие напряжения не превосходят определенного критического значения или же породы обладают способностью к проявлению значительных пластических деформаций, то хрупкого разрушения пород не происходит, а

после сравнительно спокойного упругого деформирования развиваются пластические деформации как без разрыва сплошности (пластическое течение}, так и с разрывом её, т. е. разрушение.

В случаях, когда уровень действующих напряжений вокруг выработок недостаточен для разрушения самих структурных блоков, из которых сложен массив, происходит разрушение пород в форме сдвига и отрыва по поверхностям естественных трещин или других структурных неоднородностей. Это приводит к наиболее массовому типу проявлений горного давления

— образованию вывалов и заколов.

Если же породы в приконтурной области массива склонны к проявлению вязких свойств, в частности ползучести, то в выработках наблюдаются специфические типы проявлений горного давления — сближение (конвергенция) стенок выработок или почвы и кровли или пучение пород.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород, системы разработки, условий залегания полезного ископаемого и других факторов сдвижение горных пород может происходить в форме обрушения, т. е. беспорядочного падения породы в виде кусков и глыб разных размеров (начальная стадия - зона І), прогиба напластований толщи горных пород в сторону выработанного пространства с образованием расслоений, трещин, разломов и уплотнения (зона ІІ – полных сдвижений, промежуточная стадия), прогиба пород с образованием трещин и расслоений (зона ІІІ), плавного прогиба пород без образования трещин и расслоений (зона IV), пучения и поднятия

пород почвы в сторону выработанного пространства (зона разгрузки VII), сжатия и утонения пород под действием силы тяжести

прогибающихся слоев в зонах ІІ, III, IV (зона опорного давления V), поднятия толщи горных пород, прилегающих к земной поверхности

(зона VIII), и прогиба прилегающих пород к наносам и наносов с образованием впадины (мульды сдвижения) на поверхности земли (зона

VI), воронок и террас (зона X).

Общая схема процесса сдвижения толщи горных пород: а - при пологом падении; б - при крутом падении.

При разработке крутых залежей может иметь место оползание пород почвы в выработанное пространство, а если залежь мощная, то и

провалы (зона IX).

Перемещение слоистых горных пород в кровле очистного пространства (при значительной глубине разработки и площади пустот) начинается с прогиба пород, расслоения напластований и появления зон повышенных деформаций растяжений и сжатий. Когда деформации достигают предельных значений, напластования обрушаются, 39 заполняя выработанное пространство, и становятся опорой для вышележащих, прогибающихся пород. Зона обрушения распространяется вверх по нормали к напластованиям на 3-5-кратную мощность вынутого пласта. При малой мощности

вынимаемого пласта, пучащих породах почвы, полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения может не возникнуть вследствие незначительного провисания пород и малых величин деформаций растяжений (сжатий).

Прогиб пород и расслоение напластований в зоне ІІ приводит к образованию зон повышенных деформаций растяжений (сжатий), появлению сквозных трещин и разрывов. Под воздействием веса вышележащих пород прогибающаяся толща

пород зоны ІІ уплотняется, образуя зону полных сдвижений, размеры которой можно определить, зная углы ψ 1, ψ 2. Над зоной ІІ находится зона ІІІ, характеризующаяся наибольшими изгибами породных слоев толщи с возможным образованием раскрытых трещин и полостей по напластованиям.

Зоны ІІ и ІІІ распространяются вверх от кровли пласта примерно на (35—40) m и могут быть оконтурены углами λ 1, λ 2 (величины углов ψ 1, ψ 2, λ 1, λ 2 приведены в специальной литературе по горному давлению).

Выше зоны ІІІ породы прогибаются всем массивом без заметного расслоения и образования трещин, составляя зону

плавного прогиба. Над зоной полных сдвижений ІІ зона IV имеет минимальные размеры, ближе к поверхности земли она увеличивается. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее зонам примыкает зона опорного давления.

Она создается в толще горных пород вследствие их зависания над выработанным пространством и передачи части веса зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив. В зоне опорного давления происходит плавный прогиб

слоев вследствие сжатия последних. Максимальные сжатия наблюдаются у границ очистной выработки и на контактах с зоной IV. Размеры зоны опорного давления зависят от многих факторов, в том числе от структурного строения, физико-механических свойств пород, глубины разработки, размеров площади очистных работ.

Процесс сдвижения толщи горных пород заканчивается сдвижением наносов и образованием на поверхности земли мульды

сдвижения, т. е. впадины. Сдвижение наносов, как и коренных пород, может происходить в форме обрушения, прогиба по вертикали, а также прогиба по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пластов