Визначення механічних властивостей гірських порід у натурних умовах

Як вже наголошувалося вище, механічні властивості гірських порід, одержувані в лабораторних умовах, не відповідають меха-нічним властивостям реальних масивів гірських порід і ця невід по-відність проявляється у вигляді масштабного ефекту. Про зразок гірських порід можна говорити як про деяку ідеалізовану модель породного масиву. Відмічена обставина послужила приводом для дослідження шляхів отримання механічних констант в натурних умовах, тобто безпосередньо в гірських виробках.

Для визначення межі міцності на одноосне стиснення і дефор-маційних характеристик відомі наступні схеми. У гірській виробці в процесі проходки залишали невеликі цілики незайманої породи, яким потім пилами надавали по можливості правильну геометричну форму. За допомогою гідродомкратів, здатних розвивати зусилля в 150…200 т, стовп навантажувався до руйнування. У процесі наван-таження вимірювалися деформації вертикальні і горизонтальні, що дозволяло визначити пружні показники. Для рівномірної передачі тиску під опорою домкрата влаштовували спеціальне ліжко з піску, мідного листа і шару бетону. Стовпи розміром 0,6 0,6 1,0 м розташовували з урахуванням залягання порід – перпендикулярно і паралельно нашаруванню.

Для вивчення опору здвигу порід в ВНИМИ проводилися дос-ліди за схемою, яка зображена на рис. 2. Для визначення параметрів зчеплення – С і кута внутрішнього тертя – ρ досліди проводилися під різними кутами  до нашарування.

Рис. 2. Схеми випробування гірських порід у виробках: а) на стиснення; б) на здвиг; 1 – стовп породи; 2 – домкрат; 3 – стальні плити; 4 – домкрат; 5 – плити; 6 – ролики

О тримання механічних констант гірських порід в натурних умовах пов'язане із значною трудомісткістю робіт. Ці унікальні експерименти мають швидше методологічне значення, ніж практичне.

Перспективними слід виз-нати методи, основані на встановленні кореляційної за-лежності між визначуваними механічними константами і швидкістю проходження аку-стичних (ультразвукових) ко-ливань через порідний масив. Такі дослідження масово були виконані Л.В. Шаумяном для Норільського родовища полі-металів і О.С. Алферовим для осадових порід Донбасу. Особливе значення має робота, в якій породи одного і того ж літологічного різновиду розділені на літологічні типи залежно від фаціальної приналежності, для яких і визначалися кореляційні залежності. Приклад такої залежності приведений на рис. 3.

Статична обробка результатів вимірювань

Всі реальні процеси, що відбуваються у природі, обумовлені великою кількістю зовнішніх і внутрішніх чинників, які діють випадковим чином. Наприклад, процес руйнування породних зраз-ків одного і того ж літологічного різновиду, певної фаціальної при-належності протікає у кожному окремому випадку по-різному. Це обумовлено випадковою формою структурних зв'язків, величиною вологи, що міститься в зразку, наявністю текстурних особливостей (внутрішні чинники), а також дещо відмінними розмірами зразка, технологією їх виготовлення, і швидкістю навантаження (зовнішні чинники). Таким чином, процес руйнування зразків з метою отри-мання їх механічних характеристик – це випадковий процес. Для кожного випробуваного зразка в процесі лабораторних досліджень одержують своє, відмінне від інших, значення механічної характе-ристики.

Для отримання достовірних значень шуканої механічної характе-ристики необхідно виконати вимірювання як на найбільшому числі зразків. Для цього проби, що йдуть на подальше виготовлення зраз-ків, відбирають за певною методикою так, щоб вони в максимально представляли всі можливі для даного породного масиву коливання мінерального складу і структурних особливостей.

За спеціальними методиками встановлюється необхідне число зразків, відповідно до якого з генеральної сукупності випадково відбирають певну кількість проб. Відібрана партія проб являє собою випадкову вибірку. З кожної проби виготовляють 3…4 зразки мак-симально допустимих за даною методикою розмірів.

Результати вимірювань кожної групи зразків по всій випадковій вибірці піддають статичній обробці. Перш за все, визначають середнє арифметичне значення всіх n вимірювань параметра Х_і:

(6)

Потім визначають:

• середнє квадратичне відхилення одиничного результату:

(7)

• коефіцієнт варіації (%), тобто середнє відносне відхилення отриманих результатів вимірювань від середнього арифметичного:

(8)

• довірчий інтервал

(9)

Коефіцієнт Стюдента t_na враховує відмінність випадкової вибір-ки від генеральної сукупності і залежить від числа зразків n і потрібної довірчої ймовірності. Кінцевий результат статичної обро-бки результатів вимірювань записується, наприклад, наступним чином:

.

Запис показує, що середнє значення параметра (межа міцності на одновісне стиснення) рівне , а відхилення його від арифме-тичного в 95% випадків не перевищує .

З формули (9) легко визначити необхідну кількість випробувань для забезпечення похибки вимірювань не більше, ніж при відомому коефіцієнті варіації параметру, що вивчається:

Так, якщо , похибка вимірювань 15%, то кількість зразків (при =0,95, ).