Классификация массивов

 

 

Наряду с количественной оценкой свойств массива параметрами в горном деле широко применяются классификации пород, кровель, бассейнов. Классификация - это разделение на большие группы, типы, классы по одному или нескольким характерным признакам.

Самая крупная классификация – классификация бассейнов, ме- сторождений. В её основе лежит средневзвешенная крепость толщи пород (коэффициент крепости). Квалификация приведена в таблице 3.1, в которой: С – содержание коренных пород (песчаников, и извест- няков).

Классификация используется при определении параметров сдвижения земной поверхности при подземной разработке (оседание и др.). Для проблем управления кровлей, обеспечения устойчивости вы- работок применяют классификации кровель.

Для Донбасса в настоящее время применяется классификация ДонУГИ, адаптированный для учебных целей, вариант которой приве- ден в таблице 3.2

 

Таблица 3.1 - Классификация бассейнов

 

Группа	f	БАССЕЙН, МЕСТОРОЖДЕНИЕ
I	0,1	Александровское (Сахалин)
II	0,5	Подмосковный (С<30%)
III	1,0	Подмосковный (С>30%)
IV	1,5	Артемовское (Свердловская обл.)
V	2,1	Львовско-Волынский
VI		Донбасс марки Д, Г (<30%)
VII		Донбасс марки Д, Г (С>30%) , ос- тальные (С<30%)
VIII		Донбасс марки Д, Г кроме VI–VII групп (С>30%), Кузбасс
IX		Кизеловский

 

Условные обозначения, принятые в классификации:

α – конвергенция пород на 1 м ширины призабойного простран- ства в долях от мощности пласта;

Кв– коэффициент вариации величины конвергенции; В – высота нижнего слоя непосредственной кровли, м; Г – расстояние между трещинами в нижнем слое, м;

f – коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову и его среднее значение;

σвд– сопротивление верхнего слоя почвы вдавливанию, МПа.

 

Таблица 3.2 – Выписка из классификации пород ДонУГИ

 

Кате- гория	Характерис- тика пород кровли	Значение геомеханиче- ских крите- риев	Ориентировочный литологиче- ский состав для прогноза катего- рий боковых пород
Обрушаемость массива пород кровли, А
А1	Легкообру- шаемые	α=0,04 Кв=15%	Равнопрочный массив из чере- дующихся слоев сланцев, углей, расслаивающихся песчаников и известняков (fср<4) небольшой мощности без ярко выраженных вторичных осадок å hi> 5m .
А2	Среднеоб- рушаемые	α=0,025, Кв=15÷30%	Неоднородный массив из чере- дующихся слоев сланцев, песчани- ков, известняков (4<fср<6) с выра- женными вторичными осадками и малым шагом обрушения å hi< 5m .
А3	Труднооб- рушаемые	α=0,015, Кв=30÷50%	Достаточно однородный массив из прочных сланцев, песчаников, известняков или массив с “поро- дами-мостами” (6<fср<10). Ярко выраженные вторичные осадки с большим шагом обрушения.
А4	Весьма труднооб- рушаемые	α=0,015, Кв=50%	Однородный массив монолитных песчаников, известняков или сланцев (fср>10).
A1	Способные к плавному прогибу	α=0,015, Кв≤50%	Прогибающиеся известняки, сланцы, реже песчаники при мощ- ности пласта менее 1 м и поддувания почвы (6<fср<12).
Устойчивость пород нижнего слоя кровли, Б
Б1	Весьма не- устойчивые	В1=0,01–0,2 Г1=0,05–0,1	Слой углисто-глинистых сланцев, слабые глинистые сланцы харак- терными плоскостями ослабления (f<2).

 

Продолжение таблицы 3.2

 

Кате- гория	Характерис- тика пород кровли	Значение геомеханиче- ских крите- риев	Ориентировочный литологиче- ский состав для прогноза катего- рий боковых пород
Б1	Весьма не-	В1=0,01–0,2	Слабые углисто-глинистые, гли-
устойчивые	Г1=0,05–0,1	нистые сланцы (f<2)
Б2	Неустойчи-	В2=0,05–0,3	Слой глинистого или песчано-
глинистого сланца, реже непроч-
вые	Г2=0,1–0,4	ного песчаника или известняка
(2<f<3).
Б3	Малоустой-	В3=0,1–0,5	Слой сланцев, реже песчаника или
чивые	Г3=0,3–0,5	известняка (3<f<5).
Б4	Средней устойчиво- сти	В4=0,2–0,7 Г4=0,5–1,0	Слой прочного сланца или песча- ника, реже известняка (5<f<7).
Б5	Устойчивые	В5=0,01–0,2 Г5=0,05–0,1	Монолитный слой прочного пес- чаника, известняка, реже сланца (f<7).
Устойчивость верхнего слоя почвы, П
П1	Весьма ус- тойчивые	σвд<10	Сланцы “кучерявой” текстуры с зеркалами скольжения (f<2).
П2	Малоустой- чивые	10< σвд<25	Сланцы, реже песчаники “кучеря- вой” текстуры (2<f<4).
П3	Устойчивые	σвд>25	Однородный массив из сланцев или песчаников (f<4).

 

Для выбора типа кровли по обрушаемости важным методиче- ским положением является отношение мощности обрушающихся по- род к мощности пласта, которое было одним из основных критериев еще в первой классификации Д.С. Ростовцева. Поэтому, при анализе состава и строения кровли следует определить отношение мощности обрушающихся пород к мощности пласта: если оно больше 5 – легко- обрушающиеся, меньше – 5 средней обрушаемости при кровлях, проч- ность которых до 40мПа.

 

При анализе устойчивости кровли необходимо иметь в виду, что диапазоны изменения основных критериев: мощности нижнего слоя и его высоты практически перекрывают сразу первых три класса раз- личной степени неустойчивости пород, а к средней устойчивости мо- гут быть отнесены кровли, расстояние между трещинами которых со- измеримо с расстоянием между стойками крепи, что создает условия, препятствующие выпадению отдельных кусков породы, т.е. обеспечи- вает устойчивость. Классификация ДонУГИ громоздка и приведенные выше рекомендации позволяют более быстро и точно определить кате- горию по обрушаемости и устойчивости.

Распространенная ошибка – определяют тип кровли по обру- шаемости для отдельных слоев, для основной и непосредственной кровель. Этого делать нельзя. Надо рассматривать состав, строение кровли и устанавливать один тип для совокупности слоев.

 

3.2 Напряженное состояние массива в естественных условиях

 

 

Если в классической механике речь идет, как правило, о нена- пряженных первоначальных состояниях тел, то в массиве горных по- род ещё до ведения разработок существуют напряжения. В течение почти столетия исследования проводились теоретическими методами и лишь в последние годы появились результаты экспериментальных на- блюдений. Экспериментальные исследования чрезвычайно затруднены тем, что как только обеспечивается доступ к месту измерения, возму- щается напряженное состояние в точке.

В настоящее время существуют два принципиально различных подхода к решению вопроса о начальном напряженном состоянии мас-

 

сива горных пород.

Первый – при определении напряженного состояния верхних слоев литосферы не принимаются во внимание напряжения, как-либо связанные с формой и размерами Земли как космического тела (ло- кальная гипотеза).

Второй – напряжения определяются с учетом форм и размеров Земли, её вращения и др. (гипотеза гравитирующего шара). Пpeдпoчтeниe отдают локальной гипотезе по следующим соображени- ям. Осадочные породы откладывались на сформировавшийся шар. Об- разование их можно сравнить с нанесением слоев на каменно- металлический шар, который является находящимся в равновесии на- пряженным твердым телом. Очевидно, что какими бы ни были внут- ренние напряжения в шаре, они не скажутся на напряжениях в слоях, накладываемых на поверхность шара.

Начальное напряженное состояние МГП южно определить рас- сматривая напряженное состояние элементарного кубика, к граням которого приложены неизвестные нам компоненты напряжения.

Вертикальные напряжения (гидростатические)

 

 

o z= m H . (3.1)

 

Горизонтальные напряжения из условия равенства нулю дефор- маций вдоль оси X для упругого материала:

 

o x - m o z - m o y = 0 ; (3.2)

E E E

 

o x - mo y = mo z ;	(3.3)
o x = o y ;	(3.4)
o x (1- m ) = mz ;	(3.5)

o x =

m o

1- m z

 

. (3.6)

 

 

В формулах (3.1-3.6): γ – объемный вес, т/м3;

Н – глубина разработки, м;

μ – коэффициент Пуассона.

Для слабых пород считают, что горизонтальные и вертикальные напряжения равны.

Основной фактор создания напряженного состояния – вес гор- ных пород. Дополнительные факторы: строение массива, слоистость, угол падения пластов, трещиноватость, обводненность, рельеф, анизо- тропия пород, генезис и история массива, космические гравитацион- ные явления (приливные действия Луны, Солнца, вращения Земли), силы тектонического происхождения, особенно новые тектонические движения. Согласно динамике литосферных плит верхняя оболочка Земли разделена на 7 плит и на ряд более мелких, которые движутся под действием субгоризонтальных течений в верхней мантии, причи- ной которых являются крупномасштабные термогравитационные кон- вергенции (расходящийся поток образует рифтовую впадину, а сходя- щийся – к надвиганию краев плит). Этот процесс будет продолжаться еще полтора миллиарда лет. Главная движущая сила в этот период за счет гравитационной дифференциации вещества. Сейсмическая актив- ность наибольшая в пограничных поясах плит.

 

В 70-х годах 20 века исследованы напряжения более чем на 100 шахтах и рудниках мира, проведено восстановление полей напряже- ний по ориентировке сопряженных пар трещин и тектонических раз- рывов более, чем в 70 районах, изучены поля напряжений более, чем в 2000 очагов землетрясений всех континентов, построены карты скоро- стей и градиентов новейших и современных движений земной коры. На основании анализа этого материала сделали вывод, что горизон- тальные сжимающие напряжения в подавляющем большинстве случа- ев больше вертикальных.

Для Донбасса, где не отмечены современные тектонические движения, можно пользоваться рассмотренными выше формулами (3.1-3.6).

Известно явление связи уровня воды в скважинах с напряженно- деформированным состоянием массива в этом районе. На Сахалино- Курильском полигоне на 1 см падения уровня воды в скважине прихо- дится относительное растяжение 9×10-9. Существуют глобальные гид- рогеодеформационные поля (ГГД поля). Условие: механические на- пряжения и соответствующие им деформации должны развиваться в массиве значительно быстрее, чем движется жидкость в коллекторе. Длительность цикла интенсивного изменения уровня, соответствую- щего повышению напряжений перед землетрясениями 3-4 суток; ско- рость изменения пьезометрической поверхности см, десятки см в су- тки. Данные о напряженном состоянии пород в горном деле использу- ются в аналитических расчетах.