Моделі в механіці гірських порід

Основна мета геомеханіки полягає в прогнозуванні поведінки породного масиву при створенні в ньому штучних порожнин. Інже-неру ще на стадії проектування гірничо видобувного підприємства необхідно знати яким буде навантаження на кріплення гірничих виробок, яка ймовірність газодинамічних проявів тиску, чи будуть стійкими ґрунт виробки, борти кар’єрів та відкоси відвалів та про багато інших геомеханічних показниках, які дозволили б в подаль-шому безпечно і економічно освоювати земні надра. Дослідники отримують ці знання на основі побудови, математичного опису і аналізу відповідних геомеханічних моделей.

Моделювання лежить в основі людської діяльності. Чим вищий рівень знань про оточуючий нас світ, тим більше моделі відпові-дають дійсності. Так І.І. Блехман, А.Д. Мішкіс та Я.Г. Пановко дають таке визначення моделі: «об’єкт М є моделлю об’єкта А відносно деякої системи S характеристик (якостей), якщо М будується (чи вибирається) для імітації А за цими характерис-тиками». При цьому під об’єктом А розуміють любе матеріальне тіло, дію, ситуацію.

Модель може бути дослідницькою, для вивчення вказаних характеристик чи робочою, для безпосереднього використання. В геомеханіці розглядають тільки дослідницькі моделі.

Процес розв’язку задач в геомеханіці складається, як правило, з декількох основних етапів (рис 1).

Рис 1. Структурна схема досліджень в геомеханіці

Спочатку формулюється загальна задача і визначається кінцева мета досліджень. Наступний, дуже важливий, етап досліджень полягає у вивченні об’єкту досліджень в натурних умовах. Для цього збирають геологічні, гідрогеологічні і гірничотехнічні харак-теристики тієї ділянки породного масиву, в якій буде здійснена виробка. Зібрані дані є основою для проведення лабораторних дослідів на моделях, що фізично реалізуються.

Дані фізичного моделювання в сукупності з результатами натур-них вимірювань являються тим вихідним матеріалом за допомогою якого створюються так названі наглядні фізичні моделі.

Такими є, наприклад, ідеальний шарнір в будівельній механіці, суцільне пружне середовище в теорії пружності і т.п.

На основі наглядної фізичної моделі створюється математична модель. Якщо вибрана математична модель, то ступінь оптималь-ності її побудови визначається рівнем адекватності та числом неза-лежних змінних, керуючих параметрів.

Після того, як визначено математичну модель, вибирається метод досліджень, на основі якого буде здійснено реалізацію цієї моделі.

Після того, як на основі вибраного методу розв’язана математи-чна модель, перевіряється її адекватність реальному об’єкту шля-хом порівняння отриманих результатів з натурними та набора-торними вимірюваннями. Якщо співпадання близьке, то поставлена задача розв’язана і можна перейти до обмірковування цих резуль-татів, формулювання висновків і визначення напрямків подальшого застосування встановлених закономірностей.

Тема 3. Лекція 3. Механічні властивості гірських порід та масивів Генезис, склад і будова гірських порід

За походженням гірські породи поділяються на магматичні, осадові та метаморфічні.

Магматичні породи утворились в результаті охолодження та затвердіння магми. В залежності від місця її затвердіння роз-різняють інтрузивні (граніт, діорит, габбро) та ефузивні (діабаз, андезит, базальт) гірські породи.

Осадові породи (глини, аргіліти, алевроліти) утворились при осіданні, накопиченні у водному чи повітряному середовищі про-дуктів фізичного чи хімічного руйнування (вивітрювання) вихідних порід з подальшим потовщенням.

Частина осадових порід, яка сформувалася в одних і тих самих геологічних умовах називається фацією.

Метаморфічними називають гірські породи іноді магматичного, але переважно, осадового генезису, які після утворення в глибинах земної кори піддалися впливу високого тиску, температури, міне-ралізованих розчинів та газів. Це різного роду кварцити, мармур, кристалічні сланці.

Гірські породи складаються із зерен, кристалів, обломків різних мінералів, цементу та пор.

У залежності від генезису гірські породи за розмірами, умовами розміщення в просторі складових елементів поділяються на кристалічні (сіль, гіпс, вапняк, крейда), аморфні (обсидіан) та уламкові.

З походженням пор тісно пов’язані їх петрографічні характе-ристики: структура (будова) і текстура (склад).

П ід структурою в даному випадку розуміють особливості внут-рішньої будови гірської породи, обумовлені величиною і формою складових елементів, ступенем їх кристалізації, а також характером зв’язку між частинками.

Розрізняють порфіровану, при-ховано кристалічну, скловату, губ-часту, обломочну та інші типи структур. Деякі типи кристалічних структур зображено на рис. 1.

Уламкові породи підрозділяю-ться на чотири структурні групи: грубоуламкові (псефіти), піщані (псаміти), дрібноземисті (алеври-ти) і глинисті (пеліти).

Піски розрізняються за розмі-рами зерен: грубозернисті (1…0,5 мм), середньозернисті (0,5…0,2 мм), дрібнозернисті (0,2…0,1 мм), однорідні (розмір зерен постійний) і різнозернисті (розмір зерен різний). Зцементовані піщані породи (псаміти) називаються піско-виками.

Алеврити займають проміжне положення між піщаними і гли-нистими. До цих порід відносяться головним чином осади конти-нентального походження: супіски, суглинки і лес.

До глинистих порід (пелітів) відносяться глини, аргіліти і гли-нисті сланці.

Для уламкових гірських порід особливо важливим для меха-нічних властивостей є склад і будова цементів, які зв'язують окремі уламки в єдине ціле.

За складом цементуючі речовини бувають: кременисті (цемент з SiO₂ або SiO₂ nН₂О); вапняні (цемент з СаСО₃); глинисті (цемент з глинистої речовини).

За будовою цементуючі речовини бувають різних типів. Вони показані на рис. 2.

Текстура гірських порід характеризує закономірності в розподілі структурних елементів на макрорівні. Основною текстурною озна-кою осадових порід є шаруватість (рис. 3).

З шаруватістю пов’язана здатність гірських порід розділятись на окремі шари. Чим слабші сили взаємодії на контакті шарів, тим легше такі породи обвалюються.

Наступною текстурною ознакою є сланцюватість, яка відбува-ється за рахунок слабкого руху порід всередині земної кори. Прояв-ляється вона у вигляді здатності породи розколюватись на тонкі пластинки по паралельним площинам.

Суттєвою текстурною ознакою гірських порід є їх пористість – відношення пор (пустот) до об’єму всієї породи. Чим вища пори-стість породи, тим менша її міцність.