книги / Основы механики горных пород

Вальтер—Шмидта [85] либо прямоугольные диаграммы [21, 150]. Сферограмма на сетке Вальтер—Шмидта сохраняет постоян­ ство масштабов площадей. Благодаря этому свойству относи­ тельная степень выраженности в массиве различных систем тре­ щиноватости представляется на данной сферограмме без иска­ жений. Это же имеет место и для прямоугольных диаграмм, которые вместе с тем гораздо менее трудоемки в построении. Наиболее удобно применять прямоугольную диаграмму с так называемым произвольным выбором развертки, принимая оциф­ ровку координатных осей, т. е. производя развертку таким об­ разом, чтобы в диаметрально противоположных частях не создавалось по два максимума концентрации изолиний одной и той же системы трещиноватости. На рис. 24 приведен пример графического изображения в изолиниях трещиноватости одного и того же участка массива на диаграммах различных типов.

Для выражения в изолиниях полученных результатов мас­ совых измерении трещиноватости данные всех измерений нано­ сят по параметрам Лпад и ô на диаграмму в виде точек. Затем методом скользящего статистического окна производят сглажи­ вание н подсчет относительной плотности числа измеренных тре­ щин. Размер статистического окна принимают равным 1 % площади диаграммы. На полученном на диаграмме поле значе­ ний относительных плотностей проводят изолинии равных от­ носительных плотностей, в результате чего наглядно выявля­ ются преобладающие системы трещин. Средние параметры про­ странственной ориентировки этих систем непосредственно опре­ деляют по диаграмме.

В тех случаях, когда требуется проследить закономерности изменения одного какого-либо параметра, например только ази­ мута или только угла падения трещин, по результатам массо­ вых измерений составляют гистограммы частот (или частостей) данного параметра.

Весьма часто для решения практических вопросов, например оценки устойчивости обнажений пород, кроме относительных характеристик степени распространенности тех или иных си­ стем трещим в исследуемом массиве требуются абсолютные зна­ чения указанных параметров, т. е. вероятностей появления тех или иных структурных неоднородностей в рассматриваемой точке выработки. С этой целью на каждой наблюдательной станции число трещин (или других структурных неоднородио-

Рпс. 24. Типы диаграмм трещиноватости массива в изолиниях.

а — сферограмма	на сетке Вальтер — Шмидта; б — прямоугольная диаграмма;			в — пря­
моугольная диаграмма с произвольным выбором развертки.				5 — 4—5;
Относительное число трещин, %:		/ — 0; 2 —<1; 5 — 1—2;	4 — 2—3* 5 — 3—4;
/ —IV — системы	7 - 5 - 6 ; 5 - 6	- 7 ; <? - 7—8; /5 - 8 - 9 ;	/ / — >9.‘
	трещиноватости	(Кольский полуостров, месторождение Ннттнс-Куму-
жья-Травяная, горизонт		122 м, 553 единичных измерений трещин).

Расстояние между трещинами, м

стей) отдельных систем относят к общему числу измеренных трещин и таким образом оценивают частоту (в пределе — веро­ ятность) появления той или иной системы. Однако при этом воз­ можны существенные погрешности вследствие того, что наблю­ дательные станции не в равной степени охватывают все про­ странство изучаемого массива. Например, при расположении наблюдательных станций в горизонтальных выработках слабо отражается распространение пологих и горизонтальных трещин.

Более корректно определять степень распространенности тех или иных систем трещин, основываясь на статистическом ана­ лизе расстояний между отдельными трещинами в каждой си­ стеме. С этой целью по результатам полевых измерений со­ ставляют гистограммы распределения расстояний между от­ дельными трещинами и по ним определяют модальные (наиболее часто встречающиеся) значения расстояний для каждой из выделенных систем трещин.

Величины, обратные модальным значениям расстояний между трещинами в каждой системе, представляют собой удельные частоты и характеризуют число трещин, приходя­ щихся на единицу длины массива. Из этих данных степень распространенности (вероятность) каждой системы может быть определена по формуле

р = _ Ш г _ 100_

(5 1 )

£ Mit

где h — модальное значение расстояний между соседними тре­ щинами в каждой из выделенных систем трещин.

Кроме того, расстояния между трещинами служат исход­ ными данными для установления средних размеров и формы структурных блоков, образуемых трещинами различных си­ стем.

В качестве примера на рис. 25 представлены результаты обработки на­ турных измерений геометрических параметров естественных трещин в днстен- гранат-биотитовых гнейсах массива одного из месторождений слюдоносных пегматитов Северной Карелин.

Как следует из представленных данных, массив пород интенсивно рас­ членяется шестью системами трещин, из которых четыре являются крутопа­ дающими, одна — наклонов н одна пологой.

Анализ гистограмм распределения расстояний между трещинами пока­ зал, что преобладающим расстоянием между трещинами в широтной и поло­

гой системах является 0,1—0,2 м, во всех остальных системах	наблюдается
по две группы характерных расстояний: для меридиональной и	субшнротной

Рис. 25. Геометрические параметры трещиноватости дистен-гранат-биотито- вых гнейсов месторождения «Плотина».

а — диаграмма трещиноватости; б — гистограммы распределения расстояний между тре­ щинами.

Системы трещин: / — меридиональная, / / — северо-западная, /// — субширотная, IV— широтная, V — наклонная, VI — пологая, грубосовпадающая со сланцеватостью гнейсов.

1—8 — число трещин на единицу площади диаграммы.

			Таблица 4
Распространенность естественных трещин различных систем
в дистен-гранат-биотитовых гнейсах месторождения			«Плотина»
	Среднее расстояние		Степень
Система трещин	между трещинами-	1//;	распространен­
	м		ности,
	Мелкоблоковые трещины
Меридиональная	0,15	6,67	15,9
Северо-западная	0,17	5,88	14,1
Субширотная	0,14	7,14	17,0
Широтная	0,16	6,25	14,9
Наклонная	0,13	7,69	18,3
Пологая	0,12	8,33	19,8
		41,96	100,0
	Крупноблоковые трещины		22,0
Меридиональная	0,56	1,78
Северо-западная	0,47	2,13	26,4
Субширотная	0,54	1,85	22,9
Наклонная	0,43	2,32	28,7
		8,08	100,0

систем — 0,1—0,2 и 0,5—0,6 м, для северо-западной и наклонной — 0,1—0,2 и 0,4—0,5 м.

Указанная особенность распределения расстояний между трещинами сви­ детельствует о том, что в массиве выделяется две группы трещин — мелко- и крупноблоковые, в пространственной ориентации которых имеется четкое

соответствие.	•.*■=»!
Степень распространенности отдельных систем трещин, вычисленная по
формуле (51), отражена в табл. 4.	показало, что большинство трещин
Минералогическое изучение трещин

в изучаемом массиве не имеет сплошного заполнения. В относительно не­ большом количестве в массиве имеются заполненные трещины, при этом по составу заполнителя можно выделить три группы трещин [59]:

I — заполненные	хрупкими минералами с твердостью по шкале Мооса
1—2 (хлорит, гидрослюды, милоиитизированная порода);
II — заполненные	минералами твердостью 2—6	(кальцит, слюды, руд­
ные) ;		минералами, твердость
III — со сплошным (по мощности) заполнением
которых превышает 6	(кварц, полевые шпаты).

§ 21. МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНЫХ

ОСЛАБЛЕНИЙ

Изучение геометрических параметров трещиноватости или других структурных неоднородностей массива дополняют определениями механических, в частности прочностных, харак-

теристик. При этом, поскольку с физической точки зрения раз­ рушение горных пород происходит либо под воздействием рас­ тягивающих напряжений в форме отрыва либо вследствие ка­ сательных напряжений в форме скола, наибольший интерес представляет определение [оР] — предела прочности на растя­ жение; [т] — сцепления и ср — угла внутреннего трения по по­ верхностям контакта указанных структурных неоднородностей. В случаях, когда необходимо принимать во внимание взаим­ ные подвижки отдельных структурных блоков, существенное значение приобретает коэффициент трения (внешнего) / по­ роды о породу по контактам структурных неоднородностей.

В общем случае указанные характеристики могут быть уста­ новлены как в результате лабораторных испытаний, так и пу­ тем проведения экспериментов непосредственно в натурных ус­ ловиях. При этом в качестве лабораторных методов опреде­ ления прочности на растяжение [ор] весьма удобно применять метод раскалывания клиньями, устанавливая их точно на есте­ ственную трещину или другую структурную неоднородность. Образцы в этом случае представляют собой пластины или призмы. Другими словами, практически без всяких изменений здесь применима методика определения прочности пород на растяжение для монолитных образцов.

В качестве лабораторных методов определения сцепления и угла внутреннего трения могут быть использованы методы сдвига или кручения специальных образцов, включающих по­ верхности структурных неоднородностей. Определение сцепле­ ния и угла внутреннего трения по поверхностям неоднородно­ стей путем сдвига в условиях одновременного действия сжи­ мающих и срезающих нагрузок практически не отличается от испытаний монолитных образцов, описанных в гл. 3.

В противоположность этому метод кручения пригоден именно для образцов со структурными неоднородностями, для которых прочностные характеристики заведомо существенно меньше, чем для монолитных образцов. В этом случае основной недо­

статок	метода кручения — вероятность разрушения путем от­
рыва	по винтовой поверхности, располагающейся под углом
45° к	продольной оси образца,— практически не проявляется.

Для реализации испытаний методом кручения в Горном инсти­ туте Кольского филиала АН СССР была сконструирована и изготовлена лабораторная установка (рис. 26) [59], с помощью которой могут испытываться цилиндрические или призматиче­ ские образцы диаметром (стороной основания) 42 мм и высо­ той от 80 до 200 мм. Неоднородности в образце должны быть расположены под углом не менее 70° по отношению к про­ дольной оси образца. Крутящий момент может быть измерен любым способом, в том числе и с помощью динамометрического ключа.

Рис. 28.	Схемы		оконтуривания и
нагружения		породных призм при
определении сцепления, по поверх­
ностям естественных				трещин при
условии	одностороннего				нагруже­
ния (а),	двустороннего				нагруже­
ния (б) н среза одновременно по
двум поверхностям трещин (а).
является		проведение				испы­
таний непосредственно в на­
турных	условиях.
При	этом		сцепление [т]
обычно	определяют					путем
среза	породных			в		призм,
оконтуриваемых						пород­
ном	массиве.			Породную
призму в массиве оконту-
ривают	она	таким			образом,
чтобы		сохранила				связь
с массивом лишь по тем
поверхностям,			по		которым
надлежит		установить				сцеп­

ление пород. К этим поверхностям прикладываются нормаль­ ные и касательные напряжения, создаваемые специальными приспособлениями — гидравлическими домкратами или гидрав­ лическими подушками (последние применяются в массивах слабых пород). На рис. 28 приведены различные схемы окон­ туривания породных призм и приложения сдвигающих сил.

Щели, оконтуривающие породные призмы, в слабых породах создают с помощью ручных долот, в более прочных — электро­ сверлами, пневматическими или электрическими перфорато­ рами. В массивах скальных пород высокой прочности процесс создания щелей для размещения гидродомкратов весьма трудо­ емок. Щель создают путем бурения соприкасающихся шпуров (рис. 29,а). После разделки щели в нее между стальными пли­ тами устанавливают гидродомкраты (рис. 29,6). Систему гид­ родомкратов подключают к масляному насосу и нагружают, фиксируя давление в домкратах манометром. Прекращение ро­ ста давления или его падение в гидравлической нагрузочной системе сдвительствует о том, что произошел срез породной призмы. Фиксируя усилие среза, ориентировку поверхностей среза относительно действующих сил и площади этих поверхно­ стей, вычисляют сцепление.

При испытаниях по схемам, представленным на рис. 28, а, б,

сцепление вычисляют по формуле
[T] = (1/F)(Q— Ntgqp),	(55)

сцепления визуально оценивают как существенно различные (например, по различной шероховатости поверхностей контак­ тов, различному заполнению трещин или по зазору и т. д.), методика их определения усложняется. Требуется провести по крайней мере два опытных среза породных призм по поверхно­ стям трещин одноименных систем. Это позволяет составить и совместно решать систему двух уравнений

Ьт] Fi T- K J) ?2 = Р	(sinô'—cosô tgqj);	j
Ы Fi + K ] Fl = P	(sinô” —cos ô" tg <p),	J

где [т,] и fa] — определяемые сцепления по каждой из двух по­ верхностей среза.

Знаками ' и " обозначены соответствующие регистрируемые параметры в первом и втором экспериментальных срезах призм. В тех случаях, когда число опытных срезов породных призм более двух, известными методами решают систему с избыточ­ ным числом уравнений, производя уравнивание результатов по способу наименьших квадратов и оценку разброса эксперимен­ тальных данных.

§ 23. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ

МАССИВОВ

Степень развития трещиноватости оказывает сущест­ венное влияние на устойчивость пород в обнажениях, на проч­ ность целиков. Поэтому важно бывает знать относительное раз­ витие трещиноватости на различных участках шахтного поля заблаговременно, до начала горных работ оценивать возмож­ ное ее развитие и изменения в пределах подлежащего разра­ ботке месторождения, нового вскрываемого горизонта, подго­ тавливаемого к разработке нового участка шахтного поля и т. д.

Первые оценки степени развития и закономерностей прост­ ранственной ориентировки трещиноватости массива могут быть получены уже при разведке месторождений. Для этого на ста­ диях разведки и изысканий проводят изучение трещиноватости по обнажениям коренных пород на земной поверхности, экстра­ полируя результаты в глубь массива. При достаточной площади и представительности обнажений такое изучение позволяет ус­ тановить пространственную ориентировку основных систем тре­ щин. При этом вследствие выветрелости приповерхностной ча­ сти породного массива обычно в обнажениях фиксируют наи­ более высокую степень развития трещиноватости.

Особенно широки возможности изучения трещиноватости коренных пород в тех случаях, когда в комплекс разведочных работ входит проходка шурфов и разведочных канав.