Физико-механические и упругие свойства выбросоопасных пород

01.12.2020

Выбросоопасность пород в слое песчаника неодинаковая как по мощности, так и по простиранию. Степень выбросоопасности пород при проведении горной выработки в напряженном массиве зависит от величины и характера распределения напряжений в призабойной зоне.

Характер и величина напряжений, в свою очередь, зависят от физико-механических свойств пород. Кварц в выбросоопасных песчаниках при содержании до 85% способствует накоплению потенциальной энергии упругих деформаций, которая по достижении определенного предела начинает разрушать породу. В результате возникают горные удары и внезапные поднятия пород.

Внезапные поднятия пород на шахтах Донбасса зарегистрированы в семи геологических районах при проведении вертикальных, наклонных и горизонтальных выработок. Внезапные поднятия пород почвы наблюдаются как в зонах геологических нарушений, так и в нормальных условиях залегания пласта. В 18 случаях они происходили с интенсивным выделением метана (53%), в 7 случаях отмечено незначительное выделение метана и в 9 случаях (26,5%) заметного газовыделения обнаружено не было.

Взрывное разрушение напряженных пород приводит к выбросам. Поэтому параметры буровзрывных работ в крепких напряженных породах необходимо рассчитывать с учетом прочностных и упругих свойств массива.

Физико-механические свойства выбросоопасных песчаников описаны в ряде работ. Отмечается, что изменение прочностных свойств песчаников зависит от степени их метаморфизма. Эта особенность прослеживается при изучении физико-механических свойств пород одного пласта с увеличением глубины залегания.

Отмечается, что при глубине до 1000 м прочностные свойства песчаника увеличиваются на 30% (Щегловский район) и даже на 200% (Красноармейский район). Изменение напряженности массива с глубиной является первопричиной изменения свойств пород при уплотнении под действием нагрузки.

Наиболее точные результаты исследований физико-механических и упругих свойств выбросоопасных пород достигаются при равнокомпонентном и неравнокомпонентном их нагружении. Наличие в горных породах различного рода неоднородностей по составу и строению скелета обусловливает различие их свойств в одном слое. Поэтому физико-механические свойства выбросоопасных пород являются функциями многих факторов. Трудность в отборе проб для определения их физико-механических свойств заключается в том, что при отторжении породы от массива происходят разгрузка и вторичное трещинообразование, что приводит к большому разбросу единичных значений предела прочности на сжатие или растяжение из одной пробы породы.

В ИГТМ АН Украины прочностные характеристики пород определялись на образцах, отобранных из выбросоопасных и невыбросоопасных слоев песчаника. Определение свойств песчаников при одноосном сжатии выполнено на стандартных образцах размером 50х50х50 мм, кернах диаметром 43 и 59 мм, длиной до 120 мм. Экспериментальные данные обрабатывали в соответствии с действующими методиками.

Результаты определения физико-механических свойств песчаника шахты им. Скочинского приведены в табл. 4, из которой следует, что прочностные свойства выбросоопасных и невыбросоопасных песчаников колеблются в широких пределах, и в то же время существенных различий в иx прочностных свойствах не наблюдается.

На процесс разрушения горных пород существенно влияет характер распространения упругих волн, возникающих в массиве при взрыве ВВ. Скорость их распространения зависит от модуля упругости среды, а способы ее определения основаны на измерении расстояния, проходимого волной за определенные промежутки времени. Для определения скорости распространения продольных упругих воли существует несколько различных методик.

При проведении опытов были использованы две из них. Сущность первой заключается в том, что через образец горной породы определенной формы и установленного размера с помощью ультразвукового прибора ДУК-20 распространяется ультразвуковой импульс, время распространения которого в образце фиксируется. Тогда, зная размер образца, скорость продольных волн можно вычислить по формуле
Физико-механические и упругие свойства выбросоопасных пород

где l0 — база образца, мм;. t — время прохождения волны, мкс.

При измерении времени распространения ультразвукового импульса в твердых средах между датчиками и исследуемой средой должен быть установлен акустический контакт: на параллельных гранях, отобранных для измерений образцов горных пород, шлифуются две площадки, расположенные одна против другой, с размерами, несколько превышающими площадь торцевой поверхности ультразвуковых датчиков. На эти площадки и торцевую поверхность датчиков наносится тонкий слой технического вазелина.

Ультразвуковой приемник фиксирует лишь момент прихода продольной волны, скорость которой выше скорости распространения поперечной волны.

Для характеристики породы, в которой производятся экспериментальные взрывные работы, важно знать упругие постоянные. Непосредственный замер величин упругих постоянных довольно трудоемкий процесс, однако они легко могут быть определены, если известна скорость распространения продольной волны. Условия ее в безграничном массиве и в стержне различны, поэт тому и скорости ее в обоих случаях неодинаковые.

Соотношение между скоростью распространения волны в стержне и в массиве зависит от коэффициента Пуассона:

где ср. ст и Cр.м — скорость распространения продольной волны соответственно в стержне и в массиве, м/с; v — коэффициент Пуассона.

Для того чтобы скорость распространения ультразвукового импульса в образце соответствовала, скорости распространения продольной волны в массиве, должно быть удовлетворено неравенство

где Л — длина ультразвуковой волны; r0 — радиус основания образца.

Обычно форма исследуемых образцов для определения скорости продольной волны в массиве приближается к форме куба. При соблюдении данного условия боковые поверхности образца не вносят искажения в отсчитываемое время прихода продольной волны. При определении скорости распространения продольных волн на стержнях из горных пород стержни подбирают таким образом, чтобы их длина превышала длину ультразвуковой волны в 4—5 раз.

Зная скорость распространения продольной волны в стержней массиве горной породы, можно определить коэффициент Пуассона по формуле

Модуль упругости стержня

где р — плотность породы, г/см3.

По такой же формуле вычисляется модуль упругости в массиве.

По формулам, известным из теории упругости, зная модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность горной породы, можно определить и остальные упругие константы.

По найденным значениям E и v определяют: скорость распространения поперечной волны


Скорость продольной волны в массиве определяли ультразвуковым методом на образцах размером 50х50х50 и 100х100х100 мм; в стержне — на образцах размером 5x5x200 мм. Длина стержня должна быть не менее 20—30 его диаметров, чтобы возбуждалась продольная волна. Скорость продольной упругой волны в образцах горных пород размером 100х100х100 мм определяли также методом взрывной нагрузки. Схема распространения ударной волны в этом случае: заряд BB— пусковой пьезоэлемент — образец — приемный пьезоэлемент.

Замеры выполнены по следующей методике.

На отшлифованные торцы образцов песчаника наклеивали с одной стороны пьезоэлемент из сегнетовой соли, а с другой — параллельный ей заряд тэна, величина которого берется в зависимости от размеров образца. Заряд тэна инициировали навеской азида свинца (10 мг). На заряд наклеивали пьезоэлемент, с помощью которого производится запуск регистрирующей аппаратуры. Время прохождения продольной волны от взрыва заряда фиксируется осциллографом. По скорости ее распространения и плотности образца определяли акустическую жесткость пород рс, необходимую при расчете напряжений и энергии взрывной волны.

Результаты определения упругих констант выбросоопасных песчаников шахты им. Скочинского приведены в табл. 5.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна