книги из ГПНТБ / Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие]

—разгрузка массива от напряжений с помощью взрывов опе­ режающих скважин (при отсутствии людей в подземных выра­ ботках) ;

—частичное разрушение породы (оно высвобождает анергию упругой деформации и переносит зону опорного давления в глубь массива, то ость дальше от плоскости забоя);

—выбор круглой формы поперечного сечения горизонталь­ ных и подготовительных выработок;

—применение металлического податливого крепления с за бутовкой песком или мелкой породой. Закладка очистного про­ странства твердеющей закладкой;

—снижение горного давления путем планомерного ведения очистных работ широким фронтом с общим развитием в направ­ лении от выработанных пространств к массиву руды с мини­ мальным числом выработок в массиве руды, размещением выра­ боток в закладочном массиве;в тех же целях снижения давле­ ния не следует оставлять целики, псобходио применять опере­ жающую разработку защитных рудных тел или создавать ис­ кусственные полости в массиве горных пород.

Защита людей и выработок от последствий горных ударов производится путем проходки специальных разгрузочных ще­ лей, применения предохранительных щитов, отказа от исполь­ зования опасных по горным ударам выработок.

30

Г л а 1) а II

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1 . Подразделение горных пород

Породы, слагающие земную кору, состоят из одного или не­ скольких .минеральных компонентов. Минеральные частицы (об­ ломки, зерна, кристаллы), из которых состоит порода, могут быть связаны между собой молекулярными силами сцепления, минеральным цементом или могут находиться в простом сопри кослоисшш без существенных сил связи.

В зависимости от величины и физической природы сил свя зи в механике грунтов породы разделяются на твердые, связан­ ные (глинистые) и сыпучие. Сыпучие породы при определен ных очень малых размерах частиц и насыщении их водой при­ обретают свойство плывучести и называются плывучими, или плывунами.

Для скальных горны:, пород (изверженных, метаморфиче­ ских и сцементированных осадочных) характерно Наличие жестких структурных связен. Механические свойства группы твердых пород подобны свойствам таких тел как сталь, чугун. На мгновенно приложенные нагрузки эти породы реагируют как упругие или хрупкие тела. У связанных (глинистых) пород, связь между минеральными частицами обеспечивается посред­ ством тончайших пленок воды, обволакивающей эти частицы, при этом нередко наблюдается слабая цементация. При нагру­ жении иороды этой группы ведут себя часто как пластические

31

тела, когда деформации развиваются длительное время после приложения нагрузки и являются необратимыми.

Для сыпучих пород характерно отсутствие связен между зернами и обломками или же связи эти ничтожно малы. Дефор­ мация сжатия в этих породах связана с взаимным перемещени­ ем соприкасающихся частиц и носит необратимый характер. Механические свойства определяются тройном на поверхностях соприкосновения частиц.

В состав каждой Из трех больших групп входят горные по­ роды, различающиеся нередко весьма значительно по своим фи­ зическим свойствам п механическим характеристикам. Это объ­ ясняется тем, что в группах объединяются породы разного про­ исхождения, химического и минералогического состава и нстро графического строения.

§ 2. Плотностные свойства горных пород

Массив пород по своему строению нс является однородным. Породы, слагающие массив, пе являются сплошными, а включа­ ют поры и трещины, кливаж и различным образом ориентиро­ ванные поверхности отдельностей. Ввиду наличия пор и тре юте объемный вес породы всегда меньше ее удельного веса.

Удельный вес определяется по формуле

где G — вес образца породы;

V — полный объем образца породы;

V,— объем образца породы за пычотом пор и пустот.

Степень заполнения минеральным веществом данного объе­ ма породы называется ее плотностью. Плотность породы опре­ деляется по формуле

Пористость породы определяется как отношение объема нор и пустот внутри образца к его полному объему

32

Пористость горных пород изменяется в широких пределах. Для более плотных изверженных пород она составляет сотые доли процента, а пески имеют пористость до 50 %.

Разрыхляемость горных пород. Разрыхляемость — свойство горной породы увеличивать свой объем при отделении от мас­ сива. Степень разрыхляемости оценивается коэффициентом разрыхляемое™ КР, равным отношению объема добытой породы Vp к объему ее в массиве VM, т.е.

V»

- — V— ' (7.2) Vм

Величина коэффициента разрыхляемое™ зависит от проч­ ности породы, ее строения, сложения и от способа добывания. Разрыхленная порода в результате усадки, которая ускоряется при наличии воды, с течением времени уплотняется. Уплотне­ ние может быть достигнуто и искусственным путем за счет трамбования разрыхленной породы. В результате уплотнения объем разрыхленной породы уменьшается.

Усадку породы в результате уплотнения оценивают коэффи­ циентом усадки (уплотнения)

где 1 — коэффициент усадки;

Vp—объем разрыхляемой породы до уплотнения; Vvp— то же после уплотнения.

Однако первоначальный объем .можно получить только для сыпучих или рыхлых пород. Остальные породы после уплотне­ ния будут иметь остаточную разрыхляемость. Коэффициент разрыхляемое™ для некоторых пород приведен в табл. 2.

.43

Установлено, что от пористости горных пород зависит их влажность,влагоемкость и водопроницаемость.

Влажностью горных пород называют количество воды, нахо­ дящейся в их порах, трещинах и других полостях. Влажность выражается п процентах но весу.

Влагоемкость — это свойство горной породы впитывать и удерживать определенные порции воды. Интенсивность впиты­

вания зависит от количества пустот в породе, формы и разме­ ров пор и мелких трещин. Влагоемкость определяется по коли­ честву оставшейся воды после свободного стенания ее избытка с образца и выражается в процентах по весу или объему.

Водопроницаемость — это способность породы пропускать воду. Степень водопроницаемости характеризуется коэффициен­ том фильтрации К.

(9.2)

где / — —- — гидравлический уклон;

Hi—Нг — потеря напора;

/— длина пути фильтрации.

При / — 1, V = К. т.е. коэффициент фильтрации имеет раз мерность скорости движения воды в данной горной породе. Вс личина коэффициента фильтрации выражается в м/сутки или см'суткп, а иногда в м/год или см/год.

Значения коэффициентов фильтрации для некоторых сыпу­ чих пород приведены в табл. 3.

34

§ 3. Упругость, пластичность, хрупкость горных пород

Упругость горной породы позволяет судить об обратимой связи между упругими деформациями и напряжениями и хара ктеризовать на этой основе жесткость горной породы, т. е. со способность сопротивляться физическим воздействиям при де­ формировании (рис. 15а).

Рис. 15. Характерные виды деформаций Торных пород

а—диаграмма упругих деформаций; б—график, характеризующий пластичность горных пород; в — график, характеризующий хрупкость горных пород

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости Е при одноосном напряженном состоянии, модулем сдвига G, модулем объемной упругости К и коэффициентом по­ перечных деформаций р (коэффициентом Пуассона).

Модуль упругости Е представляет собой отношение величи­ ны нормального напряжения а к величине относительной де­

формации образца Д/// в направлении действия приложенной нагрузки:

36

а

( 10.2)

Модуль сдвига G представляет собой отношение величины касательного напряжения т к относительному сдвигу 0:

сжатия, равен отношению величины равномерного всесторон­ него напряжения а 0 к относительному изменению объема образ­ ца:

где AV/V — отйоситсльное изменение объема.

Коэффициент поперечных деформаций (или коэффициент Пуассона) является мерой пропорциональности между относи­ тельными деформациями в направлении, перпендикулярном к вектору приложений нагрузки и параллельно ему

Ad/d

(13.2)

й=== Д//7

Модуль упругости Е, модуль сдвига G, объемный модуль упругости К0 п коэффициент Пуассона р связаны между собой следующими соотношениями:

Таким образом, зная две любые из перечисленных выше ха­ рактеристик упругости, можно расчетным путем определить значения двух других.

Пластичностью принято называть способность горных пород приобретать под влиянием силового воздействия остаточные де-

36

формации (рис. 156). Пластичности обычно противопоставляет­ ся понятие хрупкости, т.о. способность горных пород при воз­ действии сил разрушаться без заметных деформаций (рис. 15в).

Те или иные свойства горных пород в значительной мере связаны с условиями нагружения. Так, например, при мгновен­ ной нагрузке горные породы (песчаники,роговики и др.) разру­ шаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместо с тем эти же породы при постепенном нагру­ жении ведут себя как упругие тела, т.е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них появляются остаточные деформации, т.е. породы проявля­ ют пластичность.

Степень хрупкости или пластичности горных пород оцени­ вается коэффициентом пластичности (хрупкости), равным от­ ношению общей работы деформации до разрушения к работе упругой деформации

(16.2)

Очевидно, хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом К== 1.

Проявление свойств пластичности при нагружении характе­ ризуется увеличением К.

Есть и другой критерий оценки хрупкости — отношение пре­ дела прочности породы на сжатие к пределу прочности на рас­ тяжение.

§4. Сцепление и угол внутреннего трения горных пород

Сцепление определяет сопротивляемость горных пород тан­ генциальным нагрузкам

где Т — величина общей тангенциальной нагрузки; F — площадь действия приложенной нагрузки.

Угол внутреннего трения характеризует всякое сопротивле­ ние пластическому течению в образце породы при превышении в процессе нагружения пределов упругости. Иначе говоря, этот угол определяет внутреннее трение между частицами породы,

37

образующими Соответствующие плоскости скольжений. Величи­ на угла внутреннего трении выражается формулой

где (1т—тангенциальные напряжения и плоскости скольжения; do—нормальные напряжения в плоскости скольжения. Угол внутреннего трения определяется но паспорту проч­

ности горных пород (круги напряжения Мора) и численно ра­ вен углу, образуемому касательной к огибающей в данной точ­ ке и осыо нормальных напряжений.

§ 5. Прочность горных пород

Прочность горной породы— способность породы сопротив­ ляться действию внешних усилий, вызывающих в ней ту или иную деформацию. Для оценки прочности горных пород может быть принято общее положение, заключающееся в том, что на разрушение тела при соответствующем состоянии затрачи­ вается определенное количество знергии, поглощаемой едини­ цей объема данного тела. Э го количество энергии в каждом слу­ чае должно определяться опытным путем.

Прочностные показатели горных пород определяют, и основ­ ном, по той же методике, которую применяют при испытаниях строительных материалов. Критериями прочности горных по­ род является их предел прочности при одноосном сжатии (рас­ тяжении), изгибе, сдвиге. Испытания образцов проводят и лабо­ ратории на гидравлических прессах. При испытании на одно­ осное сжатие из кусков горной породы изготавливают образцы в форме кубиков размером 50-50-50 мм или цилиндров.

I! 1901 году Международное бюро но механике горных пород узаконило стандарт .методики определения прочности горных пород при одноосном сжатии. Стандартом предусмотрено испы­

в прессе повышают со скоростью 5—10 кг/см2 в секунду. Вычи­ сление предела прочности производится с точностью до

10 кг/см2.

38

Предел прочности пород при одноосном сжатии определяет­ ся по формуле

где Р — разрушающая нагрузка, кг;

F — площадь поперечного сечения образца, см2.

И ГД им. А. А. Скочипского предложен метод определения прочности горных пород на образцах неправильной формы. Ис­

во ВНИМИ метод испытаний образцов в специальных устапов- ках-стабилометрах с независимым приложением нагрузок.

При определении предела прочности горной породы на рас­ тяжение трудности заключаются в выборе и изготовлении само: го образца и закреплении его в захватах разрывпой машины. 11рц испытаниях применяют плоские призматические образцы прямоугольного сечения в виде «восьмерок». В процессе испы­ таний образцов на растяжение торцовые части их укрепляют в захватах машин с помощью рифленых плашек или применяют специальные зажимы.

Предел прочности горной породы при растяжении может быть определен п методом соосных пуансонов, для чего в центре образца высверливают отверстие диаметром, равным диаметру пуансона. Отверстие заполняют смесью канифоли (75%) и па­ рафина (2.5%). Испытуемый образец помещают между пуансо­

39