Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 5 )

Одно из основных требований физики и механики к размерам элементарного объема заключается в том, что он должен быть достаточно большим, чтобы сохранить все характерные свойства материала, из которого состоит тело, и в то же время достаточно малым по сравнению с размерами самого тела.

Основным критерием такой представительности элементарного объема в современном материаловедении принято минимальное количество зерен в пределах элементарной площадки, при котором элементарный объем сохраняет все характерные свойства среды. Очевидно, этот принцип может быть распространен и на массив горных пород, так как он также представляет собой структурно раздробленную (зернистую) среду на самых различных масштабных уровнях.

Понятие сплошности массива горных пород не совпадает с понятием сплошности в математическом смысле. Массив горных пород и на микро-, и на макроскопическом уровнях является средой дискретной, причем часто между отдельными частицами ее имеют место значительные по величине поры. Это нарушает непрерывность изменения параметров состояния среды (например, компонентов напряжения и деформации).

Однако, если под бесконечно малым изменением координат понимать изменение на величину элементарной длины (соразмерной с величиной элементарного объема), то напряжения и деформации будут изменяться непрерывно. В подавляющем большинстве случаев массив горных пород, благодаря этому принципу, можно рассматривать как сплошную среду.

Однородность массива пород. Под однородностью понимается постоянство механических свойств среды в различных ее точках. Строго говоря, массивы горных пород являются неоднородными. Однако, чаще всего изменения механических свойств горных пород в пределах одной литологической разности происходят в пространстве настолько медленно, что ими можно пренебречь.

Во многих случаях массив пород следует рассматривать как неоднородный. Например, осадочные породы часто представлены слоями различной механической прочности. Однородность как показатель свойств массива горных пород тесно примыкает к показателю сплошности.

Изотропность массива пород — одинаковость изменения его механических свойств по всем направлениям.

Изотропными можно считать пески, монолитные (нетрещиноватые) залежи каменной соли, монолитные массивы гранита, базальта и др.

Анизотропными называются горные породы, механические свойства которых неодинаковы в различных направлениях. Следует подчеркнуть, что подавляющее большинство горных пород являются анизотропными.

Масштабный эффект. Особенностью, присущей исключительно массиву горных пород, является многоступенчатый характер структурной раздробленности. Даже если не рассматривать минерально-кристаллический уровень строения пород, можно утверждать, что массивы горных пород в пределах заинтересованности горных разработок имеют не менее 4—5 структурных уровней, т. е. порядков структурной раздробленности. Показательно, что один и тот же механический параметр (например, прочность) изменяется от уровня к уровню. Это явление, получившее название масштабного эффекта, показывает, что механические показатели массивов пород могут принимать определенные значения лишь в пределах ограниченных пространств.

Влияние контактных зон. Благодаря тому, что массив пород имеет структурно-блочное строение (к тому же на нескольких масштабных уровнях), его механические свойства чаще всего определяются свойствами контактных зон. Механическое свойство (например, прочность) участка массива часто зависит не столько от собственных показателей, сколько от контактной прочности тектонической трещины более высокого по масштабности порядка.

Структурно-блочное строение массива и его контактный эффект проявляются в том, что изменяют сам характер механического поведения среды. Массив, представленный упругими, прочными породами, благодаря блочности, часто ведет себя как тело с реологическими свойствами даже при нагрузках, не превышающих предел пропорциональности самой породы.

Сжимаемость пород — характерная особенность пористых горных пород. Компрессионные свойства и степень уплотнения таких пород зависят не только от коэффициента пористости, но и условий, в которых они определяются: характера напряженного состояния, длительности нагрузки, заполнителя пор и др.

Кроме отмеченных, горные породы имеют еще ряд характерных особенностей. Это - способность поглощать и фильтровать воду, многофазпость деформирования (особенно водонасыщенных пористых пород) и т. д. Указанные особенности должны учитываться при решении геомеханических задач в виде дополнительных условий (уравнений) к зависимостям механики сплошных деформируемых сред. Это возможно лишь в случае, если физико-механические процессы и явления изучены настолько, что могут быть выражены в виде конечных зависимостей. Более подробно об указанных особенностях массива горных пород будет изложено в последующих разделах.

Из рассмотрения инженерно-геологических особенностей массива следует:

- массив горных пород представляет собой специфическую среду, существенно отличающуюся от других твердых тел;

- для характеристики свойств и состояния массивов горных пород необходимо в каждом отдельном случае составлять и осуществлять специальную программу инженерно-геологических исследований.

При разработке полезных ископаемых возникает обширная группа физико-химических процессов (растворение, плавление, замораживание, выщелачивание, изменение агрегатного состояния вещества, термические изменения и т. д.). Однако, совокупное энергетическое воздействие всех указанных процессов на технологию добычи твердых полезных ископаемых, по сравнению с геомеханическими, несравненно меньше и имеет значение лишь при специальных способах добычи полезных ископаемых, доля которых в общей массе подземных разработок пока ничтожно мала.

Следует отметить, что геомеханические процессы в массивах горных пород формируются и развиваются по тем же закономерностям, что и механические процессы в любом массивном твердом теле, взаимодействующем с внешними и внутренними силовыми полями. Вместе с тем, геомеханические процессы тем более отличаются от последних, чем более отличается массив горных пород от «обычных» твердых тел. А это различие весьма существенно. Обусловлено оно, в основном, генезисом массива пород как твердого тела и совершенно специфической историей его дальнейшего развития, продолжающейся сотни миллионов лет. В результате, полученный массив горных пород (как часть земной коры) стал средой, не имеющей аналогов.

Более ясное представление об особенностях массива пород, отличающих его от массивов других твердых тел, дает представленная схематическая модель (рисунок 1).

Состав массива горных пород

Массивы горных пород характеризуются тремя категориями показателей: составом, состоянием, свойствами.

Под составом массива горных пород подразумевается совокупность слагающих его частей, элементов. Поскольку массив горных пород - среда с ярко выраженным масштабным фактором, то и состав его качественно и количественно различен на различных масштабных уровнях.

Следуя от общего к частному, вначале рассматриваются типологические типы (разности) пород, слагающие разрез месторождения или его участка. Во многих случаях и на определенных, как правило начальных, стадиях изучения месторождения выделение литологического состава массива пород оказывается достаточным для предварительной оценки других показателей, например основных свойств. Однако, обычно требуется изучение состава массива на всех (или большинстве) масштабных уровнях.

Рис. 1

Петрографический состав массива (или отдельных литологических разностей) определяет свойства образцов и во многих случаях свойства массива. Последнее относится к случаям, когда масштабы геомеханических процессов не выходят за пределы литологической разности массива.

Минералогический состав массива горных пород (вернее, литолого-петрографических разностей массива) в общем случае имеет меньшее значение для большинства геомеханических процессов. Однако знание его обязательно, так как во многих случаях этот показатель в комплексе с другими позволяет находить правильные ответы на поставленные вопросы (например, при оценке дробимости пород, удароопасности и др.).

Состав горных пород на кристаллическом уровне при инженерно-геологических исследованиях для обеспечения задач геомеханики в основном не рассматривается. Необходимость этого целесообразно определять особо, применительно к конкретным требованиям задачи.

Методы и содержание исследований состава горных пород общеизвестны и подробно изложены в специальной геологической литературе.

Состояние массива горных пород

Состояние массивов горных пород определяется воздействием физических полей различной природы (силовых, геотермических, гидрогеодинамических и т. д.). Соответственно можно выделить следующие основные разновидности состояния массивов пород: напряженное, деформированное, обводненное (необводненное), мерзлое (немерзлое), связное (несвязное), естественное (или нарушенное какими-либо работами).

Напряженное состояние массивов горных пород на момент изучения является следствием многочисленных силовых полей, воздействию которых подвергался участок земной коры за всю геологическую историю развития. Это - дна из важнейших характеристик массивов пород, изучению напряжений в нем должно уделяться самое серьезное внимание. В настоящей работе вопросам напряженного состояния массивов пород и методам их изучения посвящена специальная глава.

Деформированное состояние массивов является следствием взаимодействия полей напряжений и свойств массива (большей частью, физико-механических). Как и в предыдущем случае, деформированное состояние массива на момент наблюдений следует считать интегральной картиной множества геологических процессов, протекающих и накладывающихся один на другой.

К внешним проявлениям деформированного состояния массивов относятся складчатые и разрывные структуры различного масштаба.