21859

Факторы, определяющие формы проявления геомеханических процессов

Лекция

География, геология и геодезия

Состав строение и физические свойства горных пород. Структурные особенности массивов горных пород. Естественное напряженное состояние массивов пород. Основным предметом изучения в геомеханике является массив горных пород и механические процессы происходящие в нём.

Русский

2013-08-04

272.5 KB

3 чел.

15

Тема 2. Факторы, определяющие формы проявления геомеханических процессов. 6 часов.

Состав, строение и физические свойства горных пород. Структурные особенности массивов горных пород. Естественное напряженное состояние массивов пород.

Основным предметом изучения в геомеханике является массив горных пород и механические процессы, происходящие в нём. При этом состояние массивов определяется тремя составляющими:

свойствами слагающих массив горных пород;

структурными особенностями;

напряженным состоянием.

Исходя из этого, последовательно рассмотрим указанные составляющие, обращая особое внимание на методы определения их параметров с точки зрения решения практических задач геомеханики, в том числе задач управления состоянием массива пород при разработке месторождений полезных ископаемы и подземном строительстве.

2.1. Состав, строение и физические свойства горных пород.

Применительно к кругу задач, решаемых в геомеханике, породы лучше всего классифицировать по характеру связей между их частицами. По этому признаку следует выделить несколько классов пород.

1.Твердые, в которых слагающие их твердые минеральные частицы связаны между собой жесткой связью, обеспечивающей сохранение формы. К ним относятся магматические, осадочные сцементированные и метаморфические породы. В этом классе иногда выделяют скальные и полускальные породы, исходя из их прочностных свойств. К скальным относят крепкие породы с пределом прочности при одноосном сжатии более 50 кгс/см2. При насыщении водой силы сцепления у таких пород не исчезают. Примерами скальных пород могут служить граниты, диабазы, базальты, сиениты, гнейсы, крепкие песчаники и известняки. К полускальным относят сцементированные породы, у которых наряду с жесткими существенно проявляются и пластичные связи. Выше некоторых предельных нагрузок, при которых жесткие связи нарушаются, деформации таких пород происходят по тем же законам, что и для рыхлых пород. При насыщении водой силы сцепления у полускальных пород, как правило, значительно снижаются, либо даже полностью исчезают. Примерами таких пород являются слабо сцементированные песчаники, слабые известняки, доломиты, мергели, песчанистые и глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты.

II. Связные или пластичные. В породах этого класса минеральные частицы связаны водно-коллоидной связью, преимущественно через тонкие пленки воды, обволакивающие частицы. В зависимости от степени насыщения этих пород водой изменяется степень их пластичности. Примерами связных пород являются глины и слабые глинистые сланцы, суглинки, бокситы.

III. Раздельнозернистые или рыхлые, сыпучие, в которых связи между минеральными частицами отсутствуют или ничтожно малы, т. е. эти породы представляют собой простые механические смеси частиц нескольких или одного минерала, либо обломков твердых пород. Примерами раздельнозернистых пород являются пески, гравийно-галечные отложения, искусственные отвалы пород.

В этом классе выделяют песчаные и крупнообломочные породы.

При насыщении водой породы этого класса иногда приобретают способность перемещаться вместе с насыщающей их водой. Примерами таких пород являются насыщенные водой пески (плывуны), насыщенные водой глины или суглинки.

Наибольший объем всех горных работ приходится на твердые породы, поэтому их изучению в геомеханике придаётся весьма важное значение.

Свойства пород зависят от их состава и строения. Состоят горные породы из минералов. Известно около 3000 различных минералов, однако в составе горных пород существенную роль играют только немногим более 20 так называемых породообразующих минералов, наиболее распространенных в земной коре.

По минералогическому составу различают мономинеральные и полиминеральные горные породы. Примерами мономинеральных пород являются песчаник, известняк, мрамор, гипс и др. Большинство пород принадлежит ко второму типу.

Наивысшей прочностью и упругостью обладают кварцевые породы (кремнистые песчаники, кварциты). Высокую прочность имеют силикатные породы. Однако с повышением содержания слюдистых минералов показатели прочности снижаются. При наличии в породе глинистых и легкорастворимых минералов прочность и упругость резко уменьшаются.

К строению пород относят размеры, форму, взаимное расположение и способ срастания слагающих их минеральных частиц. Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура.

Под структурой понимают строение минерального агрегата, т.е. степень кристаллизации пород (кристаллическое или аморфное их строение), размеры, форму минеральных частиц и характер связей между ними (табл. 2.1).

Структуры горных пород

Таблица 2.1

Структура

Характеристика породы

Кристаллическая

крупнозернистая

среднезернистая

мелкозернистая

афанитовая

скрытокристаллическая

Порода целиком состоит из кристаллических зёрен; размер зёрен 1-5 мм

Размер зёрен до 1 мм

Размер зёрен менее 1 мм

Зёрна различимы лишь в лупу

Кристаллы не видны даже при увеличении

Стекловатая

Сплошная стекловидная масса

Порфировая

В общую стекловатую или скрытокристаллическую массу вкраплены кристаллические зёрна

Обломочная

Порода сцементирована из обломков

По степени кристаллизации пород выделяют полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые и обломочные структуры.

По крупности кристаллических зерен различают породы гиганто-, грубо-, крупно-, средне-, мелкозернистой, афанитовой и скрытокристаллической (микрокристаллической) структур.

Выделяют также породы равномернозернистой структуры, сложенные из кристаллов примерно одинаковых размеров, и неравномернозернистой структуры, в которых размеры слагающих их кристаллов существенно различны.

Свойства пород неполнокристаллической, порфировой и обломочной структур существенно зависят от характера цементации и состава цементирующего (стекловатого) вещества.

Состав цемента (стекла) может быть самым разнообразным: кремнистым, железистым, известковистым, глинистым, мергелистым, гипсовым и т. д. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистой и железистой цементацией, наименьшей - с гипсовой, глинистой.

Другим важнейшим признаком строения пород наряду со структурой является их текстура. Под текстурой (сложением) понимают взаимное расположение структурно однотипных частиц породы в занимаемом ими пространстве (Табл. 2.2).

Важнейшие типы текстуры горных пород

Таблица 2.2

Текстура

Характеристика породы

Массивная

Частицы горной породы не ориентированы, плотно прилегают друг к другу

Пористая

В горной породе имеются микропустоты

Слоистая

Частицы породы чередуются с другими частицами, образуя слои и напластования.

Текстура породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. С точки зрения геомеханики важнейшими являются следующие текстуры:

массивная - частицы горной породы плотно прилегают друг к другу, ориентированы произвольно;

пористая частицы породы прилегают друг к другу неплотно, между ними имеется множество микропустот (пор);

Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V.

Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).

слоистаячастицы пород чередуются, образуя слои и напластования.

Породы упорядоченной текстуры обладают обычно анизотропностью свойств, т. е. существенным различием их показателей в различных направлениях, в частности, по направлениям слоистости, сланцеватости, плойчатости от одноименных показателей в иных направлениях.

Свойства горных пород неупорядоченной текстуры (например, массивно-кристаллических) оказываются сходными во всех направлениях. Такие породы при решении задач геомеханики можно рассматривать как квазиизотропные тела.

Для многих осадочных и метаморфических пород с точки зрения пространственных закономерностей изменения их механических свойств существенное значение имеют слоистость, полосчатость и пластовая отдельность.

Слоистость и полосчатость связаны со сменой минералогического или вещественного состава, причем эта смена может быть резкой или же постепенной.

Пластовая отдельность — это плоскости, по которым одни пласты или слои отделяются от других. При этом сцепление пород по плоскостям пластовой отдельности обычно значительно ниже, чем сцепление внутри пластов или слоёв пород. Особенно велика эта разница для слоистых метаморфических пород, которым свойственно расслаивание массивов. В процессах метаморфизма это расслаивание сопровождалось межслоевыми подвижками, которые обусловили дополнительное снижение сцепления и угла трения по поверхностям раздела слоев.

Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

Для решения задач геомеханики необходимы, в первую очередь, плотностные, механические и горнотехнологические свойства, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов.

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. К ним относят удельный 0 и объемный вес пород, их удельную массу 0 и плотность (объемную массу) .

Удельный весэто вес единицы объема твердой фазы породы, значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см3.

Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:

Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

Удельная массаэто отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы.

Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы).

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп:

прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам;

деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками;

акустические, характеризующие условия передачи породами упругих колебаний;

реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения;

Прочностные свойства определяют способность пород сопротивляться разрушению под действием приложенных механических напряжений. Они характеризуются пределами прочности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутреннего трения.

Предел прочности при одноосном сжатии [сж] или, короче, прочность на сжатие пород характеризует значение напряжения, которое выдерживает образец до разрушения при одноосном сжатии. Это наиболее широко определяемая характеристика прочности пород. Её наивысшие значения для горных пород достигают 5000 кгс/см2 (наиболее прочные базальты, кварциты), минимальные значения измеряются десятками и даже единицами килограмм-сил на квадратный сантиметр (мергель, гипс, каменная соль в водонасыщенном состоянии). Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.

Прочность на растяжение [р] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характерных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивляются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит критерием опасности обрушений пород и разрушения горных выработок.

Отношение [(р/cж] весьма показательно для сравнительной характеристики различных пород и колеблется в пределах 1/5—1/80, чаще же всего в пределах 1/15—1/40. Верхний предел 1/5 соответствует глинистым породам, нижний — наиболее хрупким породам (гранитам, песчаникам и др.).

Прочность на срез (сдвиг) может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

n = n tg + [0],                                                                             (2.1)

где n —нормальное напряжение при срезе; (—угол внутреннего трения; [0]—сцепление.

Сцепление [0] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давление, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внутреннего трения. Угол внутреннего трения  или коэффициент внутреннего трения tg характеризует интенсивность роста срезающих напряжений с возрастанием нормальных напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных dn и нормальных dn напряжений при срезе:

            dn

tg = --------                                                                        (2.2)

           dn 

Значение сцепления горных пород меняется в пределах от десятых долей (глины, мергели, слабо сцементированные песчаники и др.) до сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр (прочные песчаники и массивно-кристаллические породы), угол внутреннего трения—от 10—15 для некоторых глин до 35—60° для прочных массивно-кристаллических и метаморфических пород (граниты, сиениты, кварциты и др.).

К деформационным свойствам в первую очередь, относятся упругие свойства горных пород. которые характеризуются модулем упругости Е при одноосном напряженном состоянии (модулем продольной упругости или иначе модулем Юнга), модулем сдвига G, модулем объемной упругости К и коэффициентом поперечных деформаций v (коэффициентом Пуассона).

Модуль упругости Е представляет собой отношение нормального напряжения n к относительной линейной деформации образца l = l/l в направлении действия приложенной нагрузки:

Модуль сдвига G  — отношение касательного напряжения к относительному сдвигу , который именуют иногда угловой деформацией.

Модуль объемной упругости К, или модуль всестороннего сжатия, равен отношению равномерного всестороннего напряжения к относительному упругому изменению объема образца.

Коэффициент поперечных деформаций v, или коэффициент Пуассона, является мерой пропорциональности между относительными деформациями в направлении, перпендикулярном к вектору приложенной нагрузки и параллельном ему.

Модули упругости различных пород изменяются в пределах (13)-104—(13)-106 кгс/см2. Наиболее низкие модули упругости имеют пористые туфы, слабые глинистые сланцы, галит, гнейсы, филлиты. Наиболее высоки модули упругости базальтов, диабазов, пироксенитов, дунитов, монтичеллита. С ростом плотности пород модули их упругости, как правило, возрастают. Модули упругости слоистых пород в направлении слоистости выше, чем перпендикулярно к слоистости.

Коэффициенты поперечных деформаций v горных пород теоретически могут изменяться в пределах от 0 до 0,5. Для большинства пород они колеблются в интервале значений от 0,15 до 0,35. Минимальные значения v имеют некоторые биотитовые и известковые сланцы, опал, филлиты, гнейсы (0,01—0,08), максимальные - некоторые дуниты, амфиболиты (0,40—0,46).

За пределом упругости происходит пластическое деформирование с образованием необратимых остаточных деформаций. Для характеристики этого процесса применяют более общий показатель — модуль деформации, представляющий собой отношение приращений напряжений к соответствующему приращению вызываемых ими деформаций.

Пластические свойства могут быть также охарактеризованы коэффициентом пластичности, для вычисления которого предложено несколько подходов.

Один из них, получивший широкое признание, заключается в определении коэффициента пластичности как отношения полной деформации до предела прочности материала к чисто упругой деформации, т. е. до предела упругости.

Альтернативным показателем по отношению к коэффициенту пластичности является коэффициент хрупкости Kxp, отражающий способность горных пород разрушаться без проявления необратимых (остаточных) деформаций. Он может быть приближенно охарактеризован, как уже упоминалось, соотношением [р] /[сж] или по отношению величины работы, затраченной на деформирование породы до предела упругости к величине общей работы на разрушение.

Значения Kxp для различных пород изменяются в весьма широких пределах: например, для известняка и мрамора, Kxp = 0,06—0,07, а для ийолит-уртита Kxp = 0,54.

Проявление хрупкости горных пород существенно зависит от режима приложения нагрузок. Динамические, ударные нагрузки приводят породы к хрупкому разрушению, тогда как длительное приложение даже сравнительно небольших нагрузок может вызывать пластические деформации.

Акустические свойства определяют условия распространения в горных породах упругих колебаний. Они характеризуются скоростью распространения упругих волн v и коэффициентом затухания .

Среди различного вида упругих колебаний в твердых телах наибольший интерес представляют продольные, поперечные и поверхностные (релеевские) волны. В продольных волнах направление колебаний частиц породы совпадает с направлением распространения волны; в поперечных - направление колебаний частиц перпендикулярно к направлению распространения волны. Поверхностные волны — это колебания поверхности среды (поверхности образца горной породы).

Скорости распространения упругих волн определяются плотностью, характеризующей смещаемую массу, и показателями упругости среды, связывающими возвращающие силы со смещениями колеблющихся частиц.

Произведение плотности породы на скорость соответствующей волны называют акустическим сопротивлением или акустической жесткостью, оно характеризует влияние свойств среды на интенсивность (частоту) колебаний в этой среде, которая, кроме того, определяется еще параметрами возбудителя колебаний.

Поскольку горные породы не являются идеально упругими твердыми телами, в них происходит ослабление возбуждаемых упругих волн вследствие поглощения энергии колебаний в среде из-за трения, теплопроводности и других эффектов. Это ослабление, или затухание, подчиняется экспоненциальному закону.

Скорость продольных упругих волн является наиболее употребительной характеристикой. Ее значения для различных изверженных пород варьирует, как правило, в пределах 3,5— 7,0 км/с, но иногда достигает 8,5 км/с. В осадочных породах она обычно ниже, составляет 1,5—4,5 км/с, и лишь в плотных известняках достигает 6—7 км/с. В неконсолидированных осадочных и рыхлых обломочных толщах она еще ниже (0,1— 2,0 км/с).

С ростом сжимающих нагрузок скорости упругих волн в горных породах, как правило, возрастают.

Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести), либо ослабление (уменьшение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации) Ползучесть и релаксация также как и пластические деформации, являются необратимыми, остаточными. Но если пластичность пород характеризует их поведение при напряжениях, превышающих предел упругости, то ползучесть, представляющая собой медленное нарастание необратимых деформаций, проявляется и при напряжениях, меньших предела упругости, но при достаточно длительном воздействии нагрузок. Явление, обратное ползучести, называют релаксацией напряжений. При релаксации упругие деформации в породе с течением времени постепенно переходят в необратимые, но общая деформация во времени не изменяется. При этом происходит падение напряжений.

Весьма характерной чертой реологических процессов, в частности ползучести, является зависимость деформации, наблюдаемой в данный момент времени, от характера всего процесса нагружения материала, или, другими словами, от всей предыдущей истории его деформирования. Это свойство реальных материалов называют наследственностью.

Особенностью большинства горных пород, как показывают эксперименты, является практически линейная зависимость между приращениями деформаций и приращениями напряжений в любой момент времени, т. е. проявление линейной ползучести. Это позволяет применять для описания деформирования горных пород во времени теорию деформирования линейных наследственных сред. При этом полная деформация в любой момент времени слагается из двух составляющих: упругой деформации в момент приложения нагрузки и собственно деформации ползучести.

Прочность и упругость пород при длительном воздействии достаточно больших нагрузок понижаются, асимптотически приближаясь к некоторым предельным значениям — пределу длительной прочности  и предельному модулю длительной упругости Е. Для большинства пород = (0,7—0,8)[сж], Е  = (0,65- 0,95) Е.

Для решения отдельных вопросов геомеханики представляют определённый интерес горнотехнологические свойства, которые являются откликом массива пород на технологические воздействия и потому отражают не только свойства, но и состояние пород.

Число характеристик здесь может быть сколь угодно велико (коэффициент крепости, коэффициент разрыхления, коэффициент трения, угол естественного откоса, гранулометрический состав, показатель дробимости, показатель взрываемости и др.). В соответствии с этим остановимся лишь на тех из них, которые находят наиболее широкое применение в геомеханике.

К их числу прежде всего следует отнести комплексный показатель свойств пород — коэффициент крепости fкр, введенный проф. М. М. Протодьяконовым для характеристики сопротивляемости пород механическим воздействиям. При этом была разработана шкала, в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий. К первой из них отнесены породы с высшей степенью крепости (fкр = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (fкр == 0,3). Таким образом, пределы изменения коэффициента крепости — от 0,3 до 20.

Другой, также общеупотребительной характеристикой является коэффициент разрыхления Кр, представляющий собой отношение объема Vp породы после ее разрыхления при обрушении или добычи к объему Vм в массиве, т. е. до разрыхления.

Наименьшую разрыхляемость при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (Кр = 1,15—1,20), наибольшую—хрупкие скальные породы (Кр = 1,30—1,40).

С течением времени разрыхленные породы уплотняются, однако и после уплотнения они не достигают первоначальной плотности в массиве, имевшей место до разрыхления. Минимальные значения коэффициента разрыхления пород после их уплотнения Кр == 1,01—1,15.

Одной из существенных характеристик разрыхленных горных пород является также коэффициент трения fo, который в отличие от коэффициента внутреннего трения tg характеризует условие перемещения отдельных блоков пород друг относительно друга, после того как нарушается сплошность массива. Значения коэффициентов трения колеблются в очень широких пределах, зависят от большого числа факторов, в частности от состава, строения, степени твердости пород, шероховатости трущихся поверхностей и составляют преимущественно 0,11—0,36. При больших давлениях могут иметь место пластические деформации и разрушения отдельных выступов на соприкасающихся поверхностях.

2.2. Структурные особенности массивов горных пород.

В литосфере выделяют два вида (или два различных порядка) структурных элементов - глубинные и коровые тектонические структуры.

В пределах этих структур в зависимости от размеров выделяются различные порядки неоднородностей.

Глубинными тектоническими структурами первого порядка являются континенты и океанические области коры. Глубинные структуры второго порядка - это подвижные геосинклинальные пояса и относительно устойчивые платформы. Структуры этих двух порядков, имеющие линейные размеры, исчисляемые тысячами километров, называют планетарными или глобальными.

Коровые тектонические структуры, в отличие от глубинных, менее развиты на глубину и, как правило, не выходят из пределов земной коры. Они образуют складчато-разрывные деформации различных порядков, имеющие линейные размеры по простиранию максимально до десятков, иногда нескольких сотен километров.

Особое значение в тектоническом строении и развитии земной коры принадлежит глубинным разломам, представляющим собой первичные элементы строения земной коры. Наиболее крупные и древние разломы проникают в глубину до подошвы земной коры и ниже, в верхнюю мантию. Сетью пересекающихся глубинных разломов земная кора расчленена на глыбы или их ещё называют литосферными плитами.

Каждая литосферная плита разломами более высоких порядков - коровыми разрывами - расчленена, в свою очередь, на блоки. В пределах плит и блоков развиты плавные и пликативные деформации соответствующих порядков - складчатость и волновые изгибы. Таким образом, в целом земная кора имеет глыбово-волновое или, другими словами, блочное строение.

Глубинные разломы и разрывы земной коры являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения.

Тектонические структуры в земной коре более высоких - третьего и четвертого - порядков называют региональными. Именно с этими структурными неоднородностями связаны месторождения полезных ископаемых, а, следовательно, и массивы горных пород, которые являются предметом исследований в геомеханике.

В результате расчленения поверхностями структурных неоднородностей региональных порядков массивы горных пород также, как и земная кора в целом, имеют ярко выраженную блочную структуру, причем размеры отдельных структурных блоков обычно существенно различаются между собой и определяются расстояниями между соседними поверхностями структурных неоднородностей. В свою очередь, степень распространения различных типов неоднородностей весьма различна. При этом необходимо отметить, что блочное строение характерно для любых массивов пород, однако для массивов пород, сложенных относительно слабыми осадочными породами оно выражается относительно слабее, чем для массивов прочных скальных пород.

Разработаны различные классификации структурных неоднородностей, одна из наиболее удачных предложена докт. физ.-мат. наук М.В. Рацем, который выделил несколько различных порядков структурных неоднородностей.

К неоднородностям нулевого порядка М.В. Рац отнёс крупные тектонические разрывы, связанные с региональными полями тектонических напряжений, разбивающие массивы пород на блоки с линейными размерами свыше 10 км, это по своей сути региональные структурные неоднородности земной коры III - IV порядков.

Далее выделяются структурные неоднородности, относящиеся собственно к массиву пород в масштабах отдельных месторождений.

Неоднородности первого порядка обусловлены наличием в массиве различных по составу, структуре и текстуре пород, крупных геологических нарушений, тектонических разрывов и т. д. Эти неоднородности расчленяют массив на блоки размерами от сотен метров до километров.

Более мелкие блоки размерами от десятков сантиметров до десятков метров связаны с неоднородностями второго порядка.

К этому классу относят неоднородности структуры и состава пород в пределах одной пачки, слоя, а также естественную трещиноватость.

Трещинами называют разрывы в горных породах, перемещения по которым совершенно отсутствуют или очень незначительны.

По степени проявления различают следующие три группы трещин: открытые, закрытые и скрытые.

Открытые трещины имеют четко видимую полость, часто заполненную вторичными и гидротермальными минералами. Закрытые трещины характеризуются столь сближенными стенками, что хотя сам разрыв по ним хорошо прослеживается, полость по разрыву незаметна. Скрытые трещины, к которым, в частности, относится кливаж углей, визуально не видны, так как они очень тонки, но их можно обнаружить при разбивании или дроблении горных пород.

Естественные трещины обычно образуют в массиве системы или ряды. Трещины одной системы имеют параллельные или близкие к параллельным направления, но не могут пересекаться друг с другом. Часто встречаются две или три системы трещин, пересекающихся друг с другом под углами, близкими к прямым. При этом изменение в ориентировке одной из систем сопровождается соответствующим изменением другой. Такие взаимосвязанные системы трещин называются сопряженными системами.

Обычно в массиве горных пород можно выделить не менее трех систем трещиноватости. В ряде случаев число систем достигает пяти-шести и более.

Детальный анализ развития трещиноватости массивов горных пород различных месторождений показывает, что по линейным размерам трещин и величинам сцепления пород на их контактах выделяются три группы трещиноватости: крупноблоковая, мелкоблоковая и микротрещиноватость. Последняя группа принадлежит к неоднородностям следующих, более высоких (третьего и четвертого) порядков.

Трещины крупноблоковой трещиноватости имеют протяженность, исчисляемую десятками и даже сотнями метров. Протяженность отдельных трещин мелкоблоковой трещиноватости исчисляется метрами и дециметрами. Микротрещины образуют структурные блоки с сантиметровыми размерами.

Различные массивы пород в разной степени расчленены трещинами. Среднее число параллельных трещин (отклонение элементов залегания 10° от среднего по азимуту и по углу падения), приходящееся на единицу длины l (в направлении, перпендикулярном к трещинам), часто называют густотой или плотностью трещин. Это же число n = 1/l называют также линейным модулем трещиноватости соответствующей системы трещин. Линейный модуль является критерием сравнительной оценки степени выраженности в массиве трещин той или иной системы.

Сравнительная оценка развития общей трещиноватости различных массивов или разных участков некоторого массива может быть выражена объемным модулем трещиноватости W, представляющим собой безразмерное отношение единичного объема массива 1 м3 к среднему объему V структурного блока.

Другим критерием для сравнительной оценки трещиноватости массивов горных пород может явиться акустический показатель трещиноватости Аi определяемый как отношение скоростей упругих колебаний в монолитном образце породы и в трещиноватом массиве. В зависимости от степени развития трещиноватости массивов этот показатель может принимать значения от 0,9 - 1,0 для практически монолитных нетрещиноватых пород до 0,0 - 0,1 для весьма трещиноватых мелкоблочных пород.

К неоднородностям третьего порядка, кроме уже упоминавшейся микротрещиноватости, относятся также контакты между отдельными минеральными образованиями, зернами и кристаллами. При этом размеры блоков, образуемых неоднородностями данного типа, варьируют в пределах от единиц до десятков сантиметров.

Наконец, поскольку горные породы в большинстве своём представляют многокомпонентные поликристаллические агрегаты, выделяют четвертый порядок неоднородностей, связанный со структурными нарушениями межкристаллических областей, а также с дефектами структуры в решетках породообразующих минералов. Размеры структурных элементов в этом случае колеблются от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Всё изложенное позволяет говорить об общих закономерностях структуры, характерных для верхней мантии и земной коры, и проявляющихся в едином иерархически - блочном строении, которое можно проследить от планетарных структур типа континентов до микроструктур на уровне кристаллов и отдельных минеральных зёрен. Это чрезвычайно важное заключение позволяет с единых позиций рассматривать вопросы поведения и состояния различных объёмов столь необычной физической среды, которой является земная кора и слагающие её массивы горных пород.

При этом необходимо подчеркнуть, что у всех выделяемых порядков структурных неоднородностей в пределах, по крайней мере, одного массива горных пород, как правило, наблюдается довольно четкое соответствие в пространственной ориентации. Кроме того, экспериментальные исследования показывают, что между геометрическими и механическими характеристиками структурных неоднородностей массива также существует определенная связь: крупным, но более редким поверхностям неоднородностей соответствуют, как правило, более низкие значения прочностных характеристик.

Изложенное позволяет представить схему строения массива горных пород с учетом структурных неоднородностей различных порядков в виде некоторой пространственной конструкции, состоящей из плотно прилегающих друг к другу блоков с различной степенью связи между ними (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структурная схема массива горных пород.

a - деформирующиеся объекты различных линейных размеров.

1-4 - неоднородности соответственно первого - четвертого порядков.

Естественно, что влияние неоднородностей различных порядков на деформирование и разрушение каких-либо конкретных объектов далеко не равнозначно. Например, неоднородности нулевого и первого порядков на устойчивость горных выработок практически не влияют, поскольку размеры структурных блоков, образуемых неоднородностями этих порядков, во много раз превосходят размеры выработок. В то же время неоднородности второго порядка, в частности естественная трещиноватость, оказывают на устойчивость выработок весьма существенное влияние, обусловливая вывалы пород из стенок и кровли выработок.

Степень влияния того или иного порядка неоднородностей определяется соотношением размеров соответствующих структурных блоков и геометрических параметров деформирующихся объектов. При этом механизм деформирования массива пород блочной структуры заключается в деформировании самих блоков и, кроме того, в их взаимном скольжении и вращении. Последние могут проявляться, если масштаб деформируемого объекта соизмерим с размерами блоков, образуемых структурными неоднородностями того или иного порядка, и они принимают участие в деформировании.

На рис. 2.1 деформации объекта «а» определяются лишь деформационными характеристиками материала среды (т. е. с учетом неоднородностей только четвертого порядка), а объектов «б-г» - суммарным влиянием неоднородностей соответствующих порядков и материала среды.

Заметим, что обобщенных численных показателей, характеризующих степень влияния структурных неоднородностей различных порядков на свойства и деформирование горных пород и массивов, пока не имеется. Это объясняется сложностью проведения крупномасштабных экспериментов, а также трудностью интерпретации получаемых результатов, поскольку при испытаниях непосредственно в местах залегания пород влияние на изучаемые процессы, помимо неоднородностей, оказывают и другие факторы: напряженное состояние массива, способ подготовки испытуемых объемов к эксперименту, влажность и др.

Вместе с тем имеющиеся данные экспериментов в массивах, сложенных различными породами, показывают, что наблюдается общая тенденция: - с увеличением объемов, вовлекаемых в процесс деформирования, модули деформации массива существенно снижаются, а значения деформаций возрастают.

Различие показателей свойств горных пород в зависимости от абсолютных геометрических размеров участков породного массива, обусловленное проявлением влияния неоднородностей различных порядков, называют масштабным. эффектом.

Масштабный эффект проявляется и при испытаниях образцов пород различных размеров. Например, даже при сравнении деформационных характеристик кристаллов минералов с соответствующими показателями мономинеральных кристаллических пород можно наблюдать снижение модулей упругости и деформации. Так, если модуль упругости кристалла кальцита равен Е = 12 105, то даже плотные мраморы имеют модуль упругости до Е = 10 105 кгс/см2. Модуль упругости кварца равен Е = 10,3 105, а кварцитов- - 9,2 105 кгс/см2.

В приведенных примерах четко прослеживается влияние неоднородностей четвертого порядка. Структурные неоднородности более низких порядков в ещё большей степени влияют на снижение значений деформационных характеристик.

На рис. 2.2. в качестве примера приведена масштабная кривая изменения скорости продольных упругих волн, являющихся показателем степени упругости пород, в зависимости от исследуемого объёма породного массива, полученная для гранито-гнейсов одного из районов Кольского полуострова.

Рис. 2.2. Масштабная кривая изменения скорости продольных волн с увеличением объёмов исследуемого массива пород для гранито-гнейсов одного из районов Кольского полуострова.

I - деформирование объёмов, включающих структурные неоднородности IV порядка (измерения методом ультразвукового прозвучивания на образцах стандартных размеров); II - деформирование массива, включающего структурные неоднородности III порядка (по данным ультразвукового каротажа в скважинах; III - деформирование массива с участием неоднородностей  III порядка и ниже по результатам сейсмических измерений.

В частности, для объёмов пород с линейными размерами 10-1 см, включающих неоднородности самого высокого порядка, характерны значения скоростей Vp = 5800 м/с, для объёмов с линейными размерами порядка 1 см (с неоднородностями III порядка) величины скоростей снижаются до 5000 м/с и, наконец, для неоднородностей низшего порядка с размерами 106 см преобладающее значение Vp = 4500 - 4600 м/с.

В некоторых случаях наблюдается также и качественное изменение характера деформирования пород. Так, например, если образцы ультраосновных пород - пироксенитов и перидотитов,- включающие структурные неоднородности только четвертого порядка, практически деформируются упруго вплоть до разрушения (рис. 3.5, а), то по мере увеличения области деформирования отчетливо начинают проявляться и вязкие свойства массива. Это выражается, в частности, в постепенном сближении боков выработок очистных блоков (рис. 3.5, б).

Рис. 2.3. Характер деформирования ультраосновных пород в зависимости от размеров деформирующихся объемов.

а - упругое деформирование образцов диаметром 40 мм (ОА-нагружение; AБ-разгрузка); б - развитие деформаций (сближения) стенок выработки u во времени t (1 - сближение реперов над выработанным пространством вертикального очистного блока высотой 40 м; 2 - то же, под выработанным пространством очистного блока).

В большей степени изучено влияние поверхностей неоднородностей различных порядков на изменение прочностных характеристик массива горных пород, являющееся одним из проявлений масштабного эффекта

Так, например, для ультраосновных пород - пироксенитов медно-никелевого месторождения Ниттис-Кумужья-Травяная - предел прочности пород на сдвиг (с учетом неоднородностей только четвертого порядка) составляет 450 кгс/см2, сцепление по мелкоблоковым естественным трещинам, представляющим собой неоднородности третьего порядка, равно 60 кгс/см2, а по крупноблоковым трещинам (второй порядок) - всего около 10 кгс/см2.

Однако необходимо отметить, что степень снижения отдельных параметров не одинакова. Весьма примечательно, например, что пределы прочности на растяжение по мере вовлечения в процесс деформирования неоднородностей низких порядков снижаются очень резко. Если для структурных блоков скальных пород (IV порядок неоднородностей) прочность при одноосном растяжении составляет 0.1 [сж] и колеблется в пределах 70 - 120 кГ/см2, то для микротрещиноватости (III порядок) это значение снижается до 40 - 50 кГ/см2, а уже для макротрещиноватости (II порядок) оно составляет несколько килограмм-сил на квадратный сантиметр и часто практически падает до нуля.

Поскольку при оценке устойчивости выработок, целиков, откосов бортов карьеров и котлованов часто возникает необходимость характеризовать те или иные свойства массива по данным испытаний образцов в лаборатории, в практике находят применение так называемые коэффициенты структурного ослабления i, характеризующие степень снижения показателей соответствующих механических свойств массива пород вследствие наличия в массиве естественных трещин или других поверхностей структурных неоднородностей.

Коэффициенты структурного ослабления i, могут быть определены для большинства прочностных и деформационных характеристик - пределов прочности на сжатие и растяжение, модуля упругости Е, сцепления [0], угла внутреннего трения и др.

Но наиболее употребителен коэффициент структурного ослабления, характеризующий отношение сцепления по контактам естественных трещин к сцеплению в монолитной породе. Этот коэффициент для широкого диапазона породных массивов достаточно устойчив, составляет 0,01-0,02 и наглядно иллюстрирует влияние неоднородностей второго порядка - крупноблоковой естественной трещиноватости - на прочностные характеристики массива пород. Для мелкоблоковой трещиноватости (третий порядок) коэффициент структурного ослабления составляет 0,1-0,2, а по микротрещинам (четвертый порядок) близок к 1.

Влияние других видов структурных неоднородностей на прочность массива изучено менее детально, имеются лишь обобщенные данные о прочностных характеристиках, в частности, значения сцепления и углов внутреннего трения по контактам слоев различных осадочных толщ и отдельных петрографических разновидностей пород.

Детальное рассмотрение структурных особенностей массивов пород и выделение различных порядков структурных неоднородностей показывает, что массивы горных пород представляют собой специфическую иерархично-блочную среду, которая в зависимости от конкретных условий и рассматриваемых объектов может проявлять как свойства сплошной однородной или неоднородной среды, так и свойства блочной среды, т. е. приближаться к дискретным средам.

Вообще всякий неоднородный объект характеризуется размерами элементов неоднородности и степенью неоднородности.

Элементом неоднородности обычно называют наибольший объём породы, который при данном масштабе исследований может рассматриваться «как внутренне однородный» по какому-либо признаку или по совокупности заданных признаков и отличающийся по этим признакам от смежных с ним объёмов.

Под степенью неоднородности понимается интенсивность и характер различия совокупности значений заданных признаков или одного из них в пределах исследуемой области.

В частности, под «структурным блоком» будем понимать объём, ограниченный соседними поверхностями структурных неоднородностей одного порядка. Структурные блоки могут иметь формы параллелепипедов или более сложных многогранников и характеризуются линейными размерами рёбер, которые представляют собой расстояния между ближайшими структурными неоднородностями одного и того же порядка. Таким образом, общая структура массива горных пород представляется в виде вложенных друг в друга структурных блоков.

Физическую поверхность, ограничивающую структурный блок, будем называть «структурной неоднородностью», понимая под ней любой вид неоднородностей - поверхности геологических нарушений, контактов различных пород, поверхностей напластования, поверхностей трещин и т.д.

При таком представлении для описания свойств и состояния массивов пород наряду с моделями сплошной среды может быть применена двухкомпонентная модель «структурный блок - структурная неоднородность». 

Специфичность массивов горных пород как физических сред в том и проявляется, что в зависимости от решаемых задач и конкретных размеров рассматриваемых объектов или, другими словами, от соотношения размеров элементов неоднородностей и области воздействия один и тот же массив пород может выступать как сплошная среда или как блочная среда с различными параметрами структурных блоков и структурных неоднородностей, а следовательно с различными плотностными и деформационно-прочностными характеристиками.

Наглядно это может быть проиллюстрировано диаграммой структурной неоднородности, конкретизированной для реальных горных объектов применительно к условиям массивов скальных пород (рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Диаграмма структурной неоднородности горных пород.

I-IV - порядки структурных неоднородностей;

Деформируемые объекты: 1 – дневная поверхность; 2 - очистные выработки и выработанные пространства; 3 - капитальные и подготовительные выработки, целики; 4 - буровые скважины. Заштрихована область упругого деформирования в массивах скальных пород.

Обычно области, отвечающие сплошной (однородной) и блочной (неоднородной) структурам, условно разделяются прямой Ld / Lc = 10, т.е. если размеры деформируемого объекта превышают величину элемента неоднородности в 10 раз, среда может быть принята практически однородной. По данным же исследований на моделях среда может быть принята однородной лишь при соотношении указанных величин Ld / Lc = 20-40. Поскольку этот вопрос ещё требует уточнения, пока целесообразно выделить на диаграмме некоторую переходную область, где массив с известным приближением можно принимать за однородную или неоднородную среду в зависимости уже от необходимой точности решения конкретных задач. Верхней границей этой области условно можно считать прямую Ld / Lc = 100.

Таким образом, при рассмотрении любых задач геомеханики необходимо в первую очередь выяснить, какие размеры имеют интересующие области деформирования, затем, исходя из размеров деформируемых областей проанализировать структурные особенности конкретного массива пород, и установить какие виды структурных неоднородностей и в какой степени будут влиять на состояние рассматриваемых объектов.

В результате должен быть выявлен вид так называемой «эффективной структурной неоднородности». Все структурные неоднородности, которые меньше «эффективной структурной неоднородности» представляют собой ультранеоднородности, которые не препятствуют рассмотрению пород как сплошной среды и оказывают лишь интегральное влияние на её характеристики.

Объём элементов ультранеоднородностей (Wyн) на 2-3 порядка меньше области воздействия (Wв) т.е. Wун . 0.01 - 0.001 Wв.

Другими словами, таким образом определяются параметры модели сплошной среды для компонента «структурный блок».

Сама «эффективная структурная неоднородность» обусловливает статистическое распределение любых характеристик и свойств пород массива. Соотношение её размеров с размерами области воздействия составляет Wэн . 0.1 Wв

Наконец, все структурные неоднородности, размеры которых превышают размеры «эффективной структурной неоднородности» вызывают закономерную изменчивость свойств пород и должны специально учитываться в расчётах, они выступают как макронеоднородности по отношению к области воздействия и объёмы этих элементов неоднородности Wмн . Wв.

Вообще свойства среды, отображаемой двухкомпонентной моделью «структурный блок - структурная неоднородность» принципиально могут определяться двумя путями.

Один из них, интегральный, наиболее широко применяемый в настоящее время, заключается в отборе представительных проб или выборе опытных участков в зависимости от порядка (масштаба) изучаемых структурных неоднородносгей) и определении для них некоторых средних, интегральных значений интересующих свойств. Т. е., другими словами, реальная среда заменяется при этом некоторой идеализированной, в которой неоднородности считаются распределенными равномерно и проявляются в снижении средних значений характеристик и повышенном коэффициенте их вариаций.

Другой путь, дифференциальный, заключается в дифференцированном изучении характеристик для компонент, слагающих среду, - структурных блоков и структурных неоднородностей с последующим аналитическим учетом свойств отдельных компонент в процессах деформирования и разрушения пород. Второй путь позволяет избежать непреодолимых технических сложностей проведения крупномасштабных испытаний, особенно при изучении структурных неоднородностей низких порядков. В то же время выявляется необходимость дополнительных исследований закономерностей пространственного размещения неоднородностей, создания их классификаций, разработки метода отбора специальных образцов самих структурных неоднородностей и т. д.

2.3. Естественное напряженное состояние массивов пород.

Породные массивы как объекты исследования в геомеханике имеют одну очень существенную особенность по сравнению с объектами, рассматриваемыми в механике вообще или в механике твёрдых деформируемых тел, в частности. До производства работ, т.е. ещё в своём изначальном состоянии они уже находятся в напряжённом состоянии, которое обычно называют естественным или начальным напряжённым состоянием.

Кроме того, ранее уже говорилось, что глубинные разломы и разрывы земной коры являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения. Силы, обусловливающие тектонические движения, называют тектоническими.

По современным представлениям напряженное состояние земной коры в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры, т. е. наличием градиента тектонических движений.

Гравитационное поле согласно закону всемирного тяготения характеризуется ускорением свободного падения g, которое в общем случае является функцией расстояния r от центра Земли и плотности пород . Однако в пределах не только верхней части, но и всей толщи земной коры и верхней мантии изменения параметра g столь незначительны, что во многих практических расчетах можно принимать g = 981 см/с2  1000 см/с2.

Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Оно связано с неравномерными распределениями в пространстве скоростей тектонических движений и деформаций земной коры.

Характерными признаками тектонически - напряжённых массивов являются специфические проявления горного давления в подземных выработках, дискование керна и азимутальные искривления стволов буровых скважин, а также аномально высокие величины напряжений по данным прямых натурных определений.

По данным экспериментальных исследований в породах кристаллического и складчатого фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60% случаев, в осадочных породах - в 15-20%. Причём это превышение может достигать до 5-10 раз и тогда именно горизонтальные напряжения определяют особенности проявлений горного давления и устойчивость конструкций и сооружений. Более, чем в 60% горизонтальные напряжения ориентированы в пределах 300 к горизонту.

Горизонтальные тектонические силы проявляются не только в породах кристаллического фундамента, но и в осадочных толщах пород, начиная с глубин в несколько километров. Об этом свидетельствуют, в частности, сверхвысокие или аномально высокие пластовые давления, которые присущи нефтяным и газовым месторождениям, приуроченным к подвижным неотектонически активным зонам на суше и на шельфах морей во всем мире.

Сверхвысокие пластовые давления на месторождениях нефти и газа глубиной более 4,5 км проявляются почти повсеместно и распространены в недрах нефтегазоносных регионов подвижных зон земной коры, в геосинклинальных зонах и тектонически активизированных областях платформ. Они возникают и существуют под влиянием интенсивных современных тектонических процессов, связанных с современными движениями земной коры, деформирующих относительно замкнутые залежи.

К настоящему времени установлены основные закономерности в распределении тектонических сил:

  1.  горизонтальные напряжения приурочены к районам восходящих движений блоков земной коры;
  2.  региональные поля напряжений соответствуют общим структурам месторождений;
  3.  наиболее высокие значения горизонтальных напряжений отмечаются у границ блоков вблизи геологических нарушений, в самих зонах геологических нарушений горизонтальные напряжения имеют сравнительно невысокие значения;
  4.  в элементах гористого рельефа высокие значения горизонтальных напряжений наблюдаются ниже дна долин; выше местных базисов эрозии, ближе к вершинам гор горизонтальные напряжения минимальны по величине; количественные различия достигают 3-5 раз;
  5.  горизонтальные напряжения выше в более упругих и монолитных породах; при увеличении модуля упругости от 2.104 до 8.104 МПа и скоростей продольных волн от 2.103 до 7.103 м/с тектонические напряжения увеличиваются от 10 до 60 МПа.

Вообще говоря, кроме этих двух полей в земной коре действуют ещё много других факторов, которые вносят свой вклад в формирование общего поля напряжений. К ним относятся условия генезиса массива, температурные поля, физические свойства горных пород, рельеф земной поверхности, действие подземных и наземных вод и газов, космические факторы. Однако все эти факторы можно рассматривать как искажающие основное гравитационно-тектоническое поле напряжений, хотя суммарный их вклад может быть очень велик и намного превосходить гравитационно-тектонические параметры поля напряжений.

Главное напряжение в вертикальной плоскости 3 всегда определяется весом пород вышележащей толщи и в случае различных плотностей (объемных весов) покрывающих пород имеет вид:

       H

3 =  i hi                                                                                          (2.2)

        0

где i - объемный вес i-го слоя пород; hi - мощность i-го слоя; Н - глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности.

Если напряженное состояние массива пород определяется только действием гравитационных сил, то каждый элементарный объем (рис. 5.3) под действием

Рис. 2.5. Схема к расчету гравитационных напряжений в массиве пород.

вертикального гравитационного напряжения 3 будет испытывать деформации сжатия в вертикальном (по оси Оz) и деформации растяжения в горизонтальных направлениях (по осям Ох и Оу). Однако последним препятствует реакция окружающих пород, в результате чего возникают горизонтальные сжимающие напряжения 1 и 2, численно равные

                                 

1 = 2 =   H = ---------  H.                                                                 (2.3.)

                               1 -

Здесь коэффициент называется коэффициентом бокового давления или коэффициентом бокового отпора. Этот коэффициент показывает, какую часть вертикальной нагрузки, действующей в рассматриваемой точке массива, составляют силы или напряжения, действующие в горизонтальной плоскости.

Для горных пород коэффициент поперечных деформаций  изменяется в пределах от 0.08 до 0.5, соответственно крайние возможные пределы изменения составляют от 0,1 до 1. Следует подчеркнуть, что в соответствии с физическим смыслом коэффициента v, его значения не могут превышать 0.5, поэтому и значения коэффициента бокового давления не могут быть больше 1. В противном случае среда теряет свою сплошность.

Это положение имеет принципиальное значение и должно использоваться при анализе и интерпретации результатов натурных измерений.

При слоистом строении массива значения горизонтальных напряжений 1 и 2 определяются конкретными значениями коэффициентов поперечных деформаций i для соответствующего слоя. В связи с этим, если вертикальное напряжение 3 будет монотонно возрастать по мере увеличения глубины рассматриваемых слоев, то горизонтальные напряжения 1 и 2 при общей тенденции возрастания могут как увеличиваться, так и уменьшаться при переходе от слоя к слою.

Главное напряжение 3, обусловленное действием гравитационных сил, может в отдельных случаях отклоняться от вертикали вследствие наклонного залегания отдельных слоев пород, их складчатости и различной мощности, а также при сложном рельефе поверхности или наличии пустот в недрах. Отклонения эти обычно не превышают нескольких градусов, в редких случаях достигая 10 - 15°.

Изменение горизонтальной составляющей гравитационного поля напряжений по глубине характеризуется градиентом гравитационных напряжений г, который также является функцией средней плотности пород, слагающих массив, и составляет 0,25 - 0,32 кгс / (см2.м).

Предельные значения  = 0,5 и = l выражают, как это следует из формулы (2.3.), условие гидростатического распределения напряжений в массиве, т. е. такого распределения, когда

1 = 2 = 3                                                                                                (2.4.)

Гидростатическое напряженное состояние является частным случаем напряженного состояния массива и характерно для таких пород, как глины, слабые глинистые и песчаные сланцы, каменные соли, слабые угли, способных к вязкопластическому течению при сравнительно невысоких нагрузках. По мнению многих исследователей, весьма прочные породы по мере роста глубины и связанного с ним роста давлений и температур также постепенно переходят в пластическое состояние, так что на достаточно больших глубинах распределение напряжений приближается к гидростатическому независимо от состава пород, слагающих массив. Однако в случае весьма прочных скальных пород эти глубины исчисляются, по-видимому, десятками километров, т. е. значительно больше глубин, реально достижимых при горных разработках.

Поля тектонических напряжений гораздо менее однородны, чем поля гравитационных напряжений. Их параметры могут значительно изменяться как в пространстве, так и во времени. В частности, изменчивы ориентировка осей главных напряжений и их абсолютные значения. Поскольку в большинстве случаев тектонические напряжения действуют в горизонтальных или близких к ним направлениях, изменение тектонических напряжений по глубине может быть охарактеризовано вертикальным градиентом тектонических сил т, выражающим зависимость максимального главного горизонтального сжимающего напряжения от глубины.

Градиент т в общем случае является переменной величиной, зависящей от строения массива и рельефа земной поверхности.

Рассматривая напряженное состояние какого-либо элементарного объема в массиве (рис. 2.6.), подверженном действию горизонтальных тектонических сил, можно утверждать что одно из главных нормальных горизонтальных напряжений численно

Рис. 2.6. Схема к расчету параметров поля напряжений при действии горизонтальных тектонических сил.

равно:

1 = Тн,                                                                                                      (2.5.)

где Тн - горизонтальное тектоническое напряжение в рассматриваемом массиве.

Для напряжений 3 и 2 справедливы следующие соотношения:

3 =  Тн; 2 =  Тн,                                                                                 (2.6.)

В случае действия тектонических сил напряжённое состояние массива будет определяться суммой двух тензоров:

Т = Т Г + ТТ                                                                                           (2.7)

где ТГТ - тензоры напряжений, обусловленные соответственно действием гравитационного и тектонического полей напряжений.

В заключение отметим, что вследствие иерархично-блочной структуры массивов горных пород, логично предположить, что иерархично-блочную структуру должно иметь и начальное поле напряжений. При этом, поскольку гравитационное поле действует повсеместно и определяется плотностными свойствами и глубиной рассматриваемой точки от дневной поверхности, по-видимому, именно тектоническая составляющая обусловливает иерархичность общего поля естественных напряжений массива пород.

Тогда, величины действующих начальных напряжений в каком-либо конкретном структурном блоке массива пород (а о точке массива в данном случае говорить уже некорректно) будут определяться его положением в системе других блоков более низкого ранга и параметрами напряжённого состояния на границах структурных блоков каждого из более низких рангов. Вполне естественно, что задача определения начального напряжённого состояния при такой постановке становится весьма сложной, хотя некоторые результаты, подтверждающие высказанные предположения, в последнее время уже появились.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29650. Международные бухгалтерские профессиональные организации 27 KB
  Был создан для разработки стандартов которые можно было бы распространить на все страны мира. в настоящее время в него входят представители более 100 бухгалтерских организации из 75 стран. Членами Федерации являются представители профессиональных организаций более 70 стран.Объединяет правительства 24 стран включая большинство индустриально развитых государств: Австралию Австрию Канаду Францию германию Японию и др.
29651. Национальная Федерация консультантов и аудиторов 33.5 KB
  Предметом деятельности Федерации являются: проведение конгрессов конференций семинаров и других мероприятий для обмена мнениями по актуальным вопросам развития аудиторскоконсультационной деятельности; участие в подготовке нормативноправовых актов регулирующих аудиторскую и консультационную деятельность; организация взаимодействия с органами законодательной и исполнительной власти Российской Федерации по вопросам касающимся профессиональной деятельности Федерации; содействие внедрению в организацияхчленах Федерации...
29652. Организация автоматизированного рабочего места бухгалтера 26 KB
  При проектировании и создании АРМ бухгалтера можно выделить два основных вида обеспечения: техническое и программное. С вводом в эксплуатацию АРМ бухгалтера на базе ПК происходит распределение функций и операций между бухгалтером и персональным компьютером. Кроме того использование в качестве технического средства АРМ бухгалтера современных персональных ЭВМ дает возможность одновременно с децентрализованной обработкой учетных данных обеспечить интеграцию информационной базы сократить время обработки; ликвидировать разрыв во времени между...
29653. Организация бухгалтерского учета на предприятии 29 KB
  Основные правила организации и ведения бухгалтерского учета для всех предприятий едины. Ведение бухгалтерского учета регламентируется законами нормативными актами и положениями по бухгалтерскому учету. Такие вопросы как организация форма и техника ведения бухгалтерского учета предприятие решает самостоятельно.
29654. Организационные документы деятельности бухгалтерской службы 47 KB
  Для этого разрабатывается Положение О бухгалтерии О бухгалтерской службе в котором раскрываются процесс образования права обязанности и организация деятельности бухгалтерии. В состав реквизитов положения о бухгалтерии входят: наименование организации; название вида документа; дата и место составления; наименование структурного подразделения; текст; подпись и визы. Положение О бухгалтерии как правило состоит из 5 основных разделов. Этот пункт можно сформулировать обобщенно например: Бухгалтерия в своей деятельности руководствуется...
29655. Правовые и локальные нормативные акты организации 28 KB
  Некоторые локальные нормативные акты работодатель должен принимать учитывая мнение представительного органа работников что предусмотрено ТК РФ законами и иными нормативными правовыми актами. Перечень локальных нормативных актов принимаемых с учетом мнения представительного органа работников может быть дополнен коллективным договором отраслевыми и иными соглашениями. Локальные нормативные акты не должны ухудшать положение работников по сравнению с трудовым законодательством коллективным договором соглашениями. Если локальный нормативный...
29656. Монизм, дуализм, плюрализм 41.5 KB
  Структурная организация методологического знания прямо связана с теми функциями которые оно выполняет в процесс е научного познания. Рефлексия над процессом научного познания не является совершенно необходимым его компонентом. Рефлексия и осознание нужны тогда когда ставится задача построения нового научного знания или формирования принципиально нового поведенческого акта. Чем же здесь может помочь методология каковы ее функции в процессе конкретнонаучного познания Анализируя различные ответы на этот вопрос можно встретиться как с...
29657. Психологическая наука в противоположность метафизике 41 KB
  Однако масштаб абстракций и обобщений существенно ниже уже и конкретнее в эмпирической психологии чем в философской метафизике или основанной на ней априорной психологии. Примерами метафизических вопросов в психологии могут быть следующие. Номотетический и идиографический подходы в эмпирической психологии Номотетический подход Эмпирическая психология производит эмпирическое знание в рамках прежде всего номотетического подхода связанного с позитивистской и постпозитивистской философией. Идиографическое познание применяется в ряде отраслей...
29658. Эмпирическая и априорная психологии 29 KB
  Ситуация множественности методологических подходов и соответственно средств методологического анализа которые одновременно являются и истинными если это понятие вообще применимо к методологическому знанию адекватными и ложными неадекватными в зависимости от множества привходящих условий провоцирует самые разные установки исследователей и практиков относительно роли методологического знания и целесообразности его использования в конкретном исследовании а также разные методологические эмоции. Сторонники методологического...