Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 6 )

С точки зрения геомеханических процессов, при разработке месторождений начальное деформированное состояние массивов пород имеет определяющее значение, особенно велика роль разрывов сплошности, выражающаяся, как правило, в виде относительно крупных тектонических нарушений и мелкой трещиноватости. Эти разрывы сплошности играют двоякую роль: уменьшают прочность массива и служат своего рода дислокациями при нагружении и деформировании.

В связи с тем, что значение разрывов сплошности (структурной раздробленности) массивов исключительно велико с точки зрения влияния на геомеханические процессы при разработке месторождений, описание и изучение их также выделено в отдельную главу.

Обводненность массива (или его участка, пласта) - дно из характерных состояний. Кроме чисто гидрогеологической стороны, обводненность отрицательно влияет на многие горные и строительные сооружения. Проявляется это влияние, прежде всего, в виде уменьшения прочности обводненных пород. Вместе с тем, неизбежное при горных работах в той или иной мере уменьшение обводненности пород приводит к их консолидации и деформированию примыкающих участков, что также отрицательно влияет на горные выработки и сооружения на земной поверхности. Многие глинистые породы (пластичные глины, глинистые сланцы и др.) при водонасыщении или увлажнении изменяют свои свойства (приобретают подвижность, набухают, разуплотняются и т. п.), что также осложняет горные работы. Однако это, скорее, относится к категории горно-геологических явлений, а не инженерно-геологических.

Геокриогенное (многолетнемерзлое) состояние массивов горных пород широко распространено на значительных территориях и играет там существенную роль при формировании и развитии геомеханических процессов. При инженерно-геологических исследованиях необходимо установить характер распространения, мощность, строение мерзлых пород, их температурные характеристики и все необходимые свойства. К настоящему времени накоплен значительный опыт инженерно-геологического изучения геокриогенного состояния массивов пород.

Степень связности массивов горных пород может быть отнесена к важнейшей характеристике его состояния. Массивы пород в первом приближении могут быть разделены на связные (монолитные) и несвязные (сыпучие). Поскольку четкой границы между этими двумя состояниями массивов нет, то в качестве критерия можно условно принять наличие сцепления между частицами, структурными элементами. Если такое сцепление имеется, то массив может быть отнесен к связным. По степени сцепления массив можно характеризовать как несвязный, малосвязный (при небольшой величине сцепления), связный и т. д.

Свойства массивов горных пород

Применительно к массивам горных пород предлагается под свойствами понимать «реакционную способность массива, т. е. способность так или иначе реагировать на изменения состояния физических полей массива (полей напряжений и деформаций, геотермического, гидрогеодинамического и др.)». Выделяются физические, механические, химические, электромагнитные, радиационные, теплофизические свойства.

Рекомендуемая литература: основная [1-10], дополнительная [11-15].

Контрольные задания для СРД (тема 2) [1- 10]

1. Особенности массива горных пород

2. Какими характеристиками характеризуется массив горных пород

3. Что подразумевается под составом массива горных пород Виды состава массива горных пород.

4. Разновидности состояния массива горных пород

5. Свойства массива горных пород

Раздел 3 Природа полей напряжений в массивах горных пород.

Тема 3 Природа полей напряжений в массивах горных пород (4 часа)

План лекции

1. Гравитационные поля напряжений

2. Тектонические поля напряжений

3. Гидростатические напряжения

4. Количественная оценка естественных напряжений в массивах пород

В теории упругости одной из основных предпосылок является гипотеза о естественном ненапряженном состоянии, которая предполагает, что до приложения поверхностных нагрузок начальные напряжения в теле, обусловленные историей его возникновения, равны нулю.

Хотя существует множество сил, формирующих естественные поля напряжений в массивах горных пород, по принципиальным признакам можно выделить три их группы: гравитационные, тектонические и гидростатические. Иначе говоря, естественное поле напряжений имеет интегральный характер и является результатом взаимодействия гравитационных, тектонических и гидростатических полей напряжений.

Гравитационные поля напряжений.

До недавнего времени считалось, что гравитационным силам принадлежит если не исключительная, то доминирующая роль в формировании полей напряжений в массивах горных пород. Хотя, как будет показано далее, это и не так, гравитационные составляющие естественных напряжений существенны и значимы, а в некоторых случаях, действительно, становятся определяющими.

По своей природе гравитационные поля напряжений обусловлены действием сил тяжести на частицы массива пород и являются, таким образом, силами объемными, так как точки их приложения равномерно распределены внутри всего исследуемого массива. Направление действия полного вектора с достаточной для горной геомеханики точностью можно принять совпадающим с вертикальной линией. Случаи, когда эта предпосылка неправомерна, исключительно редки и могут быть рассмотрены специально.

Численно величина полного гравитационного напряжения, равная величине вертикальной составляющей гравитационного поля, определяется по формуле (МПа):

Под действием вертикальных гравитационных усилий в массиве пород возникают деформации и соответствующие им горизонтальные реакции бокового распора, которые в итоге дают горизонтальную составляющую гравитационного поля напряжений.

Величины горизонтальных гравитационных напряжений зависят не только от значений вертикальных составляющих, но и от механических характеристик горных пород, в частности, от коэффициента бокового распора t:

Точно определить величину коэффициента бокового распо­ра массива горных пород в условиях объемного напряженного состояния весьма сложно. Поэтому пользуются приближенными эмпирическими зависимостями:

в упругих породах (по гипотезе проф. )

Однако, согласно гипотезе А. Гейма, распределение напряжений в массиве пород соответствует гидростатическому:

Наиболее вероятным можно считать предположение, что на сравнительно небольших глубинах (до 1-3 км) гравитационные напряжения подчиняются вышеприведенным условиям. На больших глубинах, в условиях всестороннего сжатия, в течение геологических периодов произойдут пластические деформации пород, которые приведут к релаксации напряжений и их выравниванию вплоть до гидростатического.

Наблюдениями установлено, что на величину и направление гравитационных напряжений существенно влияет рельеф земной поверхности. Выражается это в том, что под возвышенными участками рельефа в массиве пород наблюдаются максимумы нормальных напряжений, а под понижениями рельефа — минимумы. Благодаря этому на переходных участках происходит концентрация касательных напряжений.

Тектонические поля напряжений.

Земная кора имеет длительную историю и характеризуется сложными составом и строением. Специалисты предлагают выделять системы информации трех типов: статические, динамические и ретроспективные.

В качестве статических систем рассматривают современное пространственное распределение состояния и состава геологических объектов (строение участка, форма, размеры и последовательность расположения геологических тел, их состав и др.).

Динамические системы отражают современные процессы, происходящие в Земле или ее частях (физические, тектонические, сейсмические; извержения вулканов, космические возмущения земной коры и др.).

Ретроспективные системы отражают результаты историко-генетической реконструкции тектонических явлений (реконструкция тектогенеза, полей напряжений, последовательности формирования геологических тел и т. п.).

Первые две системы представлены реально существующими физическими объектами, т. е. такими, которые можно наблюдать в пространстве и времени. В отличие от них, ретроспективные системы наблюдать нельзя, так как они являются моделью физических объектов, существовавших в геологически отдаленное время. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что ретроспективные модели строятся исключительно на основании данных статических и динамических систем. Эти геологические системы и их особенности должны учитываться во всех случаях, связанных с изучением тектонических полей напряжений или других характеристик состояния, свойств или состава массивов горных пород.

Изучение указанных характеристик массивов пород методологически целесообразно основывать на принципиальных положениях другой смежной науки - тектонофизики. , основатель этой дисциплины, определяет ее содержание как науку, занимающуюся физическим описанием и объяснением тектонических процессов. Таким образом, в обобщенной формулировке тектонические поля напряжений в массивах горных пород можно определять как результат тектонических процессов в земной коре или в более глубоких слоях Земли.

Все тектонические процессы сопровождаются (и заканчиваются) различного рода деформациями земной коры или других ее участков. Несмотря на такую общность, в конечной стадии проявления тектонические процессы могут иметь различную природу. Для иллюстрации причин тектонических процессов (а следовательно, и тектонических полей напряжений) можно назвать следующие внешние усилия, приложенные к земной коре или ее участку: а) вертикальные конвекционные усилия; б) усилия, связанные с вращением Земли; в) горизонтальные усилия, вызванные глубинными процессами; г) силы, обусловленные лунно-солнечными приливами в земной коре; д) силы, возникающие за счет дрейфа континентов; е) силы, обусловленные сейсмическими явлениями; ж) силы атмосферного давления и др.