Определение физико-механических свойств горных пород введение

Строительство новых и реконструкция действующих горно-добывающих предприятий в современных условиях требует обеспечения высокого уровня механизации всех технологических процессов. В связи с этим большое значение приобретает изучение, на всех стадиях геолого-разведочных работ, инженерно-геологических особенностей массивов вмещающих пород, с целью выбора оптимальных схем отработки полезного ископаемого и прогнозирования негативных горно-геологических явлений.

Одним из основных факторов, влияющих на поведение пород в горных выработках, являются их физико-механические свойства. Неизбежный переход горных и буровых работ на более глубокие горизонты, поиски новых, эффективных способов разрушения горных пород с использованием не только механических видов энергии, возможности искусственного ослабления и упрочнения породных массивов - все это требует всесторонних знаний о свойствах и состоянии горных пород.

Лабораторные определения физико-механических свойств горных пород входят в основной перечень работ выполняемых при геологическом изучении месторождений: при поисках, разведке (и доразведке), инженерно-гелогических изысканиях, при строительстве, гидрогеологических исследованиях, бурении глубоких и сверхглубоких скважин.

Выполнение работ по определению физико-механических свойств пород предусмотрено общероссийскими и ведомственными нормативными документами, регламентирующими объемы, состав и методы этих определений.

МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Оценка физико-механических свойств пород может быть произведена двумя путями - косвенно, по комплексу геолого-минералогических признаков или данным каротажа, и непосредственно, проведением лабораторных исследований конкретных проб. В первом случае необходимо наличие апробированных методов сравнения и выявления корреляции геолого-минералогических признаков и физико-механических свойств пород, во втором - проведение корректного опробования и лабораторные испытания штуфных, керновых, или специальных проб и образцов.

Опробование пород на физико-механические свойства производится по разведочным скважинам и горным выработкам, предусмотренным проектом работ. Количество скважин и выработок для опробования определяется:

а) сложностью геологического строения месторождения, в том числе изменчивостью состава пород, наличием и характером тектонических нарушений;

б) глубиной залегания полезного ископаемого;

в) размерами разведуемых участков;

г) стадией разведки.

На новых месторождениях намечаемых к разработке подземным способом определение физико-механических свойств горных пород можно производить используя данные о свойствах одноименных отложений по ранее разведанным, соседним участкам или месторождениям. При отсутствии аналогов, физико-механические свойства пород уточняют по 1-2 скважинам опробуя наиболее характерные по геологическому строению интервалы и участки месторождения.

При работах на месторождениях с выдержанным литологическим составом и механическими свойствами пород, простой морфологией рудных тел и несложным тектоническим строением, с учетом всех выделенных литологических типов вмещающих пород, выбранные интервалы между местами определения физико-механических свойств пород не более, чем в 2-3 раза могут превышать принятые параметры разведочной сети.

Для месторождений или их участков с изменчивым литологическим составом и механическими свойствами пород, сложной морфологией рудных тел и тектоническим строением, расстояние между изучаемыми скважинами или местами опробования выбирается равным параметрам принятой разведочной сети.

На участках с очень изменчивым литологическим составом и механическими свойствами пород, очень сложной морфологией рудных тел и тектоническим строением, изучаются все разведочные скважины.

Скважины для опробования должны во всех случаях выбираться таким образом, чтобы были охарактеризованы все выделяемые на участке основные литологические типы вмещающих пород. Физико-механические свойства пород обязательно изучаются по скважинам, пробуренным в местах, где согласно ТЭО будут располагаться околоствольные дворы и главные квершлаги, подлежат изучению также скважины вблизи проектируемых шахтных стволов.

При намечаемом открытом способе разработки месторождения каждый участок карьерного поля, имеющий существенно различающиеся инженерно геологические ( литолого-фациальные, структурно-тектонические и др. особенности ), должен быть изучен разведочными скважинами. При этом не может быть однозначного решения о необходимом количестве скважин для месторождений располагающихся в разных природных условиях (геология, рельеф, климат). В таких случаях закладывают дополнительные скважины на участках:

а) зон крупных тектонических нарушений;

б) повышенной трещиноватости или закарстованости скальных пород;

в) выходов слабых (не скальных) пород;

г) вблизи поверхностных водотоков и водоемов;

д) развития вечной (сезонной) мерзлоты.

Интервалы инженерно-геологического опробования в скважинах определяются в зависимости от задач исследований особенностей и сложности

геологического строения конкретного месторождения и стадии разведки. В скважинах, намечаемых к опробованию пород на физико-механические свойства выделяются интервалы особо детального и менее детального изучения.

Для угольных месторождений:

Интервалы особо детального изучения включают каждый рабочий угольный пласт по всей его общей мощности, залегающие непосредственно над ним пачки пород общей мощностью 1-1.5 м (непосредственная кровля) залегающие непосредственно под ним слои такой же мощности (непосредственная почва).

В этом интервале опробуется каждый литологически обособленный слой

мощностью более 0.3м. Отдельно изучаются слои до 0.3м залегающие в кровле рабочих пластов и способные образовывать ложную кровлю.

Интервалы менее детального опробования включают: залегающие выше указанных, пачки пород общей мощностью равной 4-5 кратной мощности рабочего угольного пласта, но не более 25 м; ниже залегающие породы почвы общей мощностью равной мощности рабочего пласта, но не более 10 м. В этих интервалах изучаются пасты не менее 1 м мощностью, для пластов и пачек мощностью более 3 м изучаются каждые полные или неполные 3 м мощности.

Пробы горных пород для физико-механических испытаний отбирают из керна буровых скважин и горных выработок в виде монолитов. Минимальный диаметр керновых проб скальных пород - 40-50 мм, полускальных 50-60 мм, при глубине скважин более 1000 м допускается использование керна меньшего диаметра. Минимальные размеры кусков керновых проб должны составлять не менее 15 см,а монолитов 20х20х15 см. Извлеченные из массива пробы должны быть одинаковыми по вещественному составу, петрографическим особенностям и состоянию, такие же требования предъявляются к разным породным кускам одной пробы.

Место отбора конкретной пробы определяется целью исследований, ее свойствами и условиями отбора. Технология отбора проб должна в максимальной мере обеспечивать их представительность и предотвращать механические нарушения целостности или изменение естественной трещиноватости, влажности и других характерных признаков пород. Способы транспортировки и хранения проб также должны соответствовать указанным условиям, для этого в необходимых случаях (размокание, высыхание, выветривание) пробы консервируют парафинированием или же упаковкой в полиэтиленовые мешки.

Каждая проба сопровождается краткой первичной документацией (этикеткой).

ЛЕКЦИЯ 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОРОД ЛАБОРАТОРНЫМИ МЕТОДАМИ

Общие понятия о физико-механических свойствах

горных пород

Физико-механическими свойствами горных пород называют такие, которые определяют их физическое (фазовое) состояние, отношение к воде, изменения формы и размеров (деформируемость), прочность.

Различают физические, водные и механические свойства, их выражают и оценивают с помощью измеряемых или расчетных показателей-характеристик.

Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, трещиноватости, выветрелости в условиях естественного залегания, отвалах и промышленных продуктах. Данные об этих свойствах позволяют оценивать прочность и устойчивость горных пород.

Водные свойства горных пород проявляются в их способности изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой, поглощать и удерживать воду или фильтровать ее. Зная водные свойства горных пород, можно прогнозировать изменения их прочности и других свойств, а также развитие каких-либо геологических процессов под воздействием воды.

Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних усилий-нагрузок. Они проявляются и непосредственно оцениваются прочностью и деформируемостью горных пород. Показатели механических свойств используются при различных инженерных расчетах, например, при определении величины давления горных пород на подпорные сооружения или крепи подземных горных выработок и т.д.

Исследования физико-механических свойств горных пород имеют не только инженерное значение, но и общее геологическое. Они позволяют расширить их геологическую изученность, так как отражают те изменения, которые горные породы претерпели в истории геологического развития под влиянием процессов выветривания. Метаморфизма, тектонических сил и т.д.