Трещиноватость массива и образцов горных пород различного размера

Важной характеристикой горных пород является и их дефектность (дефекты кристаллической решетки минералов, микро- и макротрещины кристаллов, зерен и пород, пористость, крупные тектонические нарушения). Изменяясь во времени, эти дефекты влияют на механические свойства пород, а в ряде случаев полностью изменяют их признаки и название.

Рассматривая горные породы в различных объемах (от микроскопических до крупных блоков, целиков и больших массивов), нетрудно заметить, что чем больший объем пород мы изучаем, тем большего размера дефекты в нем содержатся.

Это особенно хорошо заметно на углях, которые, кроме структурных и текстурных дефектов, содержат значительное число трещин.

Н.П. Аммосов и Н.В. Еремин все эндогенные трещины угля по своей протяженности делят на четыре группы:

I — пересекающие пласт на всю мощность;

II — пересекающие отдельные пачки угля;

III — пересекающие отдельные петрографические разновидности угля внутри угольной пачки;

IV — локализованные внутри прослоев и линз витрена и витренитового угля.

В пластах простого строения трещины I группы одновременно являются и трещинами II группы. В пластах сложного строения трещины I группы располагаются довольно редко. Расстояние между трещинами IV группы зависит от степени углефикации и петрографического состава углей. Наибольшее распространение имеют трещины II и III групп (табл. 4.1). Ряд исследователей отмечает обратную связь Между зиянием (раскрытием) трещин и их частостью: при меньшей частоте трещины имеют большее зияние.

Небольшие объемы породы (образцы), как правило, содержат лишь микротрещины; образцы побольше могут дополнительно иметь трещины IV группы (малой протяженности и с небольшим зиянием); еще большие образцы содержат трещины III группы (большей протяженности и с большим зиянием). Образцы, высота которых равна мощности пласта, подобны целикам и будут содержать трещины всех групп.

Следовательно, образцы, блоки и массивы различного размера не являются подобными по своей структуре, поэтому их механические свойства (деформируемость, прочность и др.) не будут одинаковыми.

Массивы и образцы горных пород различного размера, не являясь подобными по своей структуре, не будут подобными и по газо- или водонасыщенности. Удельная газо- и водонасыщенность крупных блоков и массива будет выше, чем небольших образцов.

Повышенное содержание влаги в породах в свою очередь приводит к значительной разнице в механических свойствах образцов и массива.

Большинство скальных горных пород сформировалось на большой глубине при высоких температурах и давлениях. По мере поднятия к земной поверхности и эрозионного удаления вышележащих пород величина горного давления на породы и их температура уменьшались. При отделении от массива происходит дополнительная разгрузка пород, которая сопровождается увеличением их объема. При этом приповерхностный слой породы в блоках растягивается. Так как с увеличением размеров блоков (образцов) отношение объема блока к его поверхности увеличивается, то породы в блоках различного размера будут разгружаться в разной степени. У крупных блоков приповерхностный слой породы испытывает большие растягивающие напряжения, чем у мелких образцов. Для весьма больших блоков эти напряжения могут достигать предельных значений, и порода будет растрескиваться.

Параллельно с разгрузкой пород от горного давления при удалении вышележащих пород эрозией происходит их охлаждение с уменьшением объема. В этом случае породы приповерхностного слоя блоков должны сжиматься. Внутри остывающего блока возникают растягивающие напряжения. Шестигранная отдельность в интрузивных породах свидетельствует о том, что и эти напряжения могут достигать предельных значений. Напряжения, вызванные охлаждением пород, могут превышать напряжения, возникшие в результате разгрузки или наоборот. И в том, и в другом случаях остаточное напряженное состояние пород в блоках и в образцах различного размера, извлеченных из массива, неодинаковое.

Так как горные породы в массиве разбиты трещинами, то их элементарные блоки (отдельности) различного размера будут напряжены по-разному. При этом величины напряжений (а в некоторых условиях и их знак) в центральной и краевой частях элементарных блоков могут быть существенно разными. Вследствие неоднородности составных частей блока (ингредиентов, зерен, кристаллов) по модулю упругости и коэффициенту расширения картина напряженного состояния элементарного блока выглядит достаточно сложной. Аналогично можно рассматривать отдельные кристаллы и зерна с их микротрещиноватостью и дефектами кристаллической решетки, что еще более усугубит сложность напряженного состояния.

Таким образом, горные породы в различных объемах, независимо от того, отделены или не отделены от земной коры, не являются подобными по дефектности, напряженности, газо- и водонасыщенности и другим параметрам, что приводит к различию их механических, акустических, фильтрационных, электрических и многих других свойств.