Общие сведения

Из множества определений массива горных пород, принятых в геологии, механике горных пород применительно к управлению со- стоянием массива горных пород наиболее полно отражает сущность следующее определение.

Массив горных пород – часть земной коры с присущими только ей физическими, механическими свойствами и геологическим строе- нием.

Массив горных пород разделен на пачки, блоки, отдельности и другие объемные элементы поверхностями раздела. В механическом отношении все они представляют элементарные объемы различных порядков, основным свойством которых является то, что при дефор- мации массива они деформируются как единое целое на начальных фазах. Взаимное перемещение элементарных объемов создает макро- скопическую картину развития деформации массива.

На рисунке 2.1 показаны неоднородности массива трех поряд- ков и соизмеримые с ними объекты исследования.

Объект 31 – подготовительная выработка, объект 11 – очистная

выработка.

2 1

1, 2, 3 – линии ограничивающие размерности 1–3 порядков;

11, 21, 31 – объекты исследования.

Рисунок 2.1 – Объекты исследования и объемы массива горных пород

Согласно принципу соразмерности структурных элементов и исследуемого объекта деформация массива определяется в основном перемещениями наибольших структурных элементов, соизмеримых с объектом. Так, применительно к подготовительной выработке доста- точно учитывать свойства пород, расположенных вокруг выработки на расстоянии, равном 1 – 1,5 ширины выработки, в то время, как для очистной выработки – это сотни метров выше, ниже и впереди лавы. Необходимо учитывать не только прочностные и деформационные свойства, но и структуру массива. Это главное отличие в подходе к

определению свойств массива в курсе "Управление состоянием масси- ва горных пород" по сравнению с курсом "Физика горных пород".

2.2 Характеристика массива

Массив горных пород может быть охарактеризован: параметра- ми; представлен механической моделью; отнесен к какому-либо классу.

Параметр массива – количественная характеристика свойства массива. Для нашего курса важны: механические, фильтрационные, ёмкостные свойства, которые определяются минеральным составом, слоистостью, влажностью, включениями, строением. Для многих па- раметров наиболее важным и определяющим является нарушенность в широком смысле этого слова (трещиноватость, расслоение и др.). Для нарушенного массива предел прочности на сжатие в десятки раз меньше установленного на образцах.

На рисунке 2.2 приведена зависимость механических парамет- ров от объёма горной породы. Участки:

аб – для наиболее прочной фазы (например, кварца); бвг – более слабая фаза (цемент);

гд – параметр материала, т.е., объём заполненный ненарушенным мате- риалом;

ди – массив нарушен;

дк – для стандартных образцов;

км – для образцов больших размеров; ми – для массива.

б г д к

в м

Пм и

Рисунок 2.2 – Зависимость параметров массива от его размеров

Асимптотический отрезок кривой "ми" отражает свойства мас- сива. Проведены массовые измерения параметров массива при размерах сторон 1,0 – 1,5 м. В том случае, если используются результаты испыта- ний на образцах стандартных размеров, для практических расчетов параметры массива следует определять по следующим зависимостям:

Gсм= (0.3 … 0.35)Gco ; (2.1)

Gpм = Ксо· Gpo ; (2.2)

Kсцм= (0.01…0,9)Kсцо ; (2.3)

G¥= Go· ln(A/t) , (2.4)

где G – предел прочности на сжатие (с), растяжение (р) для образца (о),

массива (м);

Ксо– коэффициент структурного ослабления,

(Ксо = 0…0,2);

Kсцм– сцепление;

G¥– прочность породы при одноосном нагружении; A – константа, характеризующая стойкость породы; t – время приложения нагрузки.

Большие осложнения в работе вызывают разрывные геологиче- ские нарушения. Их параметры: амплитуда, угол встречи с лавой, дли- на нарушения в пределах выемочного участка; ширина зоны обру- шающихся пород, показаны на рисунке 2.3 а. Параметры ложной кров- ли: мощность, длина участка вдоль лавы, длина участка по направле- нию подвигания лавы (рис. 2.3 б).

Сведения о нарушенности пласта в пределах выемочного поля приводят:на прогнозном геологическом паспорте, который согласно Правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах является обя- зательным документом. Эти сведения необходимы для своевременной разработки мероприятий, обеспечивающих безопасную работу в слож- ных геологических условиях.

а) б)

h=0.6м

L||

h=0.8м L^

Рисунок 2.3 – Параметры геологического нарушения (а), ложной кровли (б)

2.3 Модели массива горных пород

При решении многих задач, связанных с определением напря- жений, деформаций, перемещений, массив рассматривают как сплош- ную среду, в которой напряжения и деформации передаются от одной точки к другой непрерывно. Наиболее простая модель сплошной сре- ды – однородная, изотропная. Однородная – свойства одинаковы во всех точках; изотропная – свойства одинаковы по всем направлениям в каждой точке, если не одинаковы, то анизотропная.

Слоистые горные породы – трансверсально-изотропные, т.е. те- ла, где плоскости изотропии параллельны плоскостям слоев.

Таблица 2.1 – Модели массива горных пород

Модель среды	Автор	Модель среды	Диаграм- ма σ=f(ε)	Структура формулы	Уравнение состояния
Упругая	Гук	рисунок 2.4 а	рисунок 2.4 е	H	s = o E o = s E
Вязкая	Ньютон	рисунок 2.4 б	рисунок 2.4 ж	N	o = y ds dt
Пласти- ческая	Сен- Венан	рисунок 2.4 в	рисунок 2.4 з	tv	o = ynлs
Упруго- вязкая	Мак- свелл	рисунок 2.4 г	рисунок 2.4 и	M=N-H	o = f (o , E,y,t ) o = Es +y ds dt
Упруго- вязко- пластиче- ская	Шведов Вингам	рисунок 2.4 д	рисунок 2.4 к	æ N ö B = H - ç ÷ è stv ø	s = f (o , Eynлy )

В модели среды учитывается связь напряжений и деформаций или их скоростей, ускорений. В основе всех механических моделей лежат три простые (элементарные) модели: упругая, вязкая, пластиче- ская, представленные в таблице 2.1. Связь между деформациями и на- пряжениями в реальных условиях для различных пород более сложная и может включать несколько десятков элементов, включенных парал- лельно или последовательно и смешанно.

Уравнения связи используются в аналитических решениях.