Методология науч. исслед / Бабиюк Основы научных исследований

Основы научных исследований

венных его проявлений.

По видам решаемых задач методы исследования проявлений горного давления можно подразделить на четыре группы:

–определение физико-механических свойств и структурных характеристик пород в массиве;

–определение смещений и параметров сдвижения горных пород;

–исследование напряженного состояния горных пород и его изменений;

–изучение взаимодействия пород с крепью и давления разрушенных пород.

Каждое из исследований требует применения особых методов и специальной аппаратуры. Поэтому при постановке шахтных исследований одним из наиболее важных вопросов является установление области целесообразного применения различных методов и измерительной аппаратуры, обеспечивающих получение надежных показателей проявлений горного давления. В связи с этим при постановке и проведении шахтных исследований проявлений горного давления наряду с выбором метода измерений и прибора, обязательно должны быть решены вопросы представительности и достоверности полученных результатов для изучаемого явления с учетом поставленных целей и задач исследований.

Выполнение указанных требований накладывает определенную специфику на методику шахтных исследований, где должен освещаться целый комплекс специфических вопросов:

–выбор объекта исследований и места установки измерительной аппаратуры на объекте;

–полнота отражения горнотехнических и горно-геологических условий на объекте;

–соответствие принятых методов и приборов поставленной задаче, надежности, диапазону величин и точности измерений;

–обеспечение достоверных показателей проявлений горного давления;

–проведение достаточного объема измерений по числу установленных приборов, началу, частоте и длительности измерений;

–корректность обработки и анализа результатов измерений.

171

Основы научных исследований

зирующиеся на изучении явлений, возникающих при искусственном облучении пород, получили название ядерно-физических. Практическое значение получило облучение горных пород γ-лучами и нейтронами.

Плотность пород в массиве с достаточной степенью точности можно определить с помощью гамма-метода, основанного на эффекте различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гаммаизучения в средах с различной плотностью. Сущность метода состоит

мых участках.

Методы изучения механических свойств горных пород в натуре очень разнообразны, и их можно объединить в следующие группы:

–испытания участков массива на обнажениях горных выработок с использованием механических средств нагружении по аналогии с испытаниями пород на образцах;

–испытания в опытных камерах и с использованием опытных горных работ, включая эксплуатационную оценку физико-технических свойств пород;

–косвенную оценку прочностных и деформационных свойств на обнажениях пород при использовании сосредоточенной нагрузки (пробные приборы);

–косвенную оценку прочностных и деформационных свойств по-

173

Основы научных исследований

зонда, резца и пр.). Особенность таких испытаний является экспрессная оценка свойств пород.

По способу взаимодействия испытательного инструмента с массивом пробные приборы делят на: статические, динамического вдавливания и бурения (резания). Они состоят из индентора (штампа), непосредственно вдавливаемого в массив, устройства для создания и передачи нагрузки на индентор, измерительных устройств. Из прочностных показателей горных пород, определяемых с помощью пробных приборов, наибольшее распространение получили контактная прочность, статическая и динамическая твердость, удельное сопротивление вдавливанию, буримость, сопротивляемость резанию, по которым с использованием корреляционных зависимостей устанавливается коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова, предел прочности на сжатие и пр.

Физические методы косвенного исследования прочностных и деформационных свойств пород подразделяются в зависимости от изучаемого в данной точке массива параметра. На измерении удельного электрического сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемости основаны электрические, магнитные и радиоволновые методы. На оценке акустических свойств горных пород (скоростей распространения продольной и поперечной волн, коэффициентов затухания этих волн) основаны геоакустические методы. На определении тепловых параметров (теплопроводности, теплоемкости и пр.) основаны теплофизические методы.

В зависимости от задач исследования используют различные варианты каждого из геофизических методов, отличающихся масштабом охватываемого измерением объема среды, детальностью изучения свойств и процессов, оперативностью получения информации. Кроме того, геофизические методы отличаются и методически в зависимости от размещения точки измерения (на дневной поверхности, в скважине, на поверхности выработки и т.д.). По точности измерения, надежности результатов и простоте геофизические методы способны конкурировать с лабораторными. Их достоинством является возможность неограниченного повторения испытаний, гарантирующая достоверность

175

Основы научных исследований

виде смещений породных обнажений, поэтому большинство методов определения напряжений основано на регистрации деформаций пород. Среди деформационных методов исследований напряженного состояния пород практическое значение получили методы разгрузки, возмущений и разности давлений.

В глубине массива изменения напряженного состояния пород проявляются через изменения их физических свойств. К физическим методам изучения напряженного состояния относятся методы, основанные на активном использовании физических полей (акустический, электрометрический, радиометрический, тепловой), а также методы, основанные на регистрации изменений естественного поля напряжений или возникшего в результате перераспределения напряжений нового поля (электрический, магнитный, радиоактивный, тепловой, сейсмоакустический, сейсмоэлектрический, пьезоэлектрический, магнитосейсмический).

Для оценки состояния породного массива путем реконструкции палеотектонических полей напряжений используются геологические методы, заключающиеся в определении пространственного положения главных осей напряжений по системам трещин скалывания, положению трещин отрыва, формам складок и другим структурным элементам.

Существенную информацию о напряженном состоянии массива горных пород и величине наибольшего сжимающего напряжения дает анализ состояния керна из скважин (шпуров), так как характер разрушения керна связан с направлением и величиной напряжений, действующих в массиве.

Прямым методом определения напряженного состояния породного массива является испытание скважины на разрыв (рис. 5.14), основанное на разрушении пород в пределах локального измерительно-

177

Основы научных исследований

основан на измерении давления жидкости в датчике, установленном в измерительной скважине и нагруженном предварительным давлением. Данный вариант получил название метода разности давлений.

Изучение состояния пород вокруг выработки. Производствен-

ные исследования геомеханических процессов включают оценку состояния массива с использованием результатов каротажа разведочных скважин, визуальное обследование состояния и условий поддержания горных выработок и наблюдения за внешними признаками проявлений горного давления, инструментальные измерения в массиве с помощью отдельных приборов и специально оснащенных измерительных станций. На основе результатов исследований устанавливаются эмпирические зависимости напряженно-деформированного состояния массива от его свойств и горнотехнических факторов.

Оценка устойчивости массива при проектировании выработок производится по данным геологической разведки месторождений полезных ископаемых с использованием результатов прочностных и деформационных испытаний кернов или каротажа разведочных скважин, который дает возможность изучать состояние пород в пределах всей обуриваемой толщи массива, включая и ослабленные зоны. В основу каротажного прогноза положена корреляционная связь между определяемыми физическими свойствами пород (или состоянием скважины), отражаемыми на каротажных диаграммах, и признаками, характеризующими устойчивость и расслоение пород.

Применение при прогнозе состояния массива получили акустический, электрометрический и кавернометрический методы. Каротаж позволяет получить данные о породах, вмещающих угольный пласт, мощности отдельных слоев, структурных особенностях и степени однородности толщи. Эти данные совместно с характеристиками пород, которые получают по кернам, позволяют определить основные свойства пород по их минералогическому составу и структурно-текстурным особенностям. Однако достоверность такого прогноза ввиду ограниченности объема породных проб и большого расстояния между разведочными скважинами невысока.

179