Министерство угольной промышленности СССР Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела

В н И м И

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОМПЛЕКСУ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД (ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ)

ЛЕНИНГРАД

1980

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА В Н И М И

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОМПЛЕКСУ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

(для инженерных расчетов горного давления)

Ленинград

1980

к ах, с интервалами отбора породных проб, обеспечивающими необходимую представительность и надежность изучения;

-    применительно к каждой очистной выработке, для ее кровли, почвы, а также для угольного пласта, в том числе с использованием опережающих выработок и скважин технического бурения для опережающего рыхления кровли;

-    по скважинам эксплуатационной разведки, буримым с поверхности или из подземных выработок, а также по горизонтальным скважинам, опережающим проходку квершлагов в направлении их проходки;

-    применительно к местам возникновения горных ударов, внезапных выбросов и других динамических явлений.

13. Состав определяемых показателей механических свойств по указанным в пп. 8-12 местам их изучения приведен в соответствующих нормативах "Требований. . . " для каждого места и этапа выполняемого геологического изучения.

Из большого количества разнообразных механических свойств, характеризующих горные породы, определяют только те показатели, от которых существенно зависит характер и интенсивность горнотехнологического процесса, его проектирование и выполнение. Так например, для слоев зависающей кровли подземной выработки наиболее важными свойствами являются упругость и сопротивляемость растяжению при прогибе и обрушении слоев, а также сопротивляемость сжатию в призабойных зонах опорного давления и за поддерживающей крепью.

В другом случае, например, при использовании между камерных или иных целиков устойчивость последних определяется главным образом прочностью на сжатие слагающей целик породы, угля с учетом меры их структурной ослабленности, а также снижения прочности в зависимости от продолжительности нахождения целика под нагрузкой опорного давления.

Для подстилающих уголь пород, в которых располагаются полевые штреки, имеют существенное значение и должны определяться показатели пластичности, являющейся одной из важных причин пучения почвы в этих выработках.

Зоны породного массива вблизи горных выработок, являющиеся местом значительного накопления упругой потенциальной энергии, представляют собой возможные очаги горных ударов: поэтому для них предусматривается определение показателей упругости.

Ввиду изложенного, перечень показателей, определяемых при геологическом изучении полей шахт установлен с учетом вида напряженного состояния, характера деформирования и разрушения пород и угля в зонах активного развития горного давления и сдвижения пород при разработке системой, соответствующей данным условиям, а также при разрушении и добывании угля, пород предусмотренными способами и средствами. Этот перечень установлен также принимая во внимание цели геологического изучения пород на каждом этапе.

согласно п. 5 и, кроме того, с учетом степени изученности самих механических свойств пород и доступности их определения.

14. В настоящее время прочность горных пород при сжатии изучена в большей мере, чем другие свойства. Предел прочности при одноосном сжатии (крепость) пород является, кроме того, наиболее важным и употребительным показателем, определяющим выбор системы разработки, технологии горных работ и применяемого для них горного оборудования. Крепость пород принимается также за основу нормирования оплаты горных работ. Поэтому определение крепости при сжатии предусматривается (с разной степенью точности и детальности) для всех этапов изучения и зон опробования пород на механические свойства.

Кроме того, при геологическом изучении полей шахт Минугле-прома определяют следующие показатели:

-    предел прочности при одноосном растяжении,

-    модуль упругости (приближенно),

-    структурную осЛабленность (грубая оценка),

-    пластичность (грубая оценка),

-    текучесть (грубая оценка).

В случаях выраженной анизотропии изучаемой породы ее необходимая оценка, производится лишь в отношении показателей прочности.

При существенном влиянии степени влагосодержания изучению механических свойств подвергают породы в состоянии естественного влагосодержания, обычно влагонасыщенные. Если это необходимо, показатели механических свойств определяют и для иных уровней влагосодержания опробуемых пород.

И. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ПОКАЗАТЕЛЯХ

15. Изучение механических свойств горных пород происходило одновременно с развитием путей применения сведений об этих свойствах при проектировании и ведении горных работ.

Первые попытки учета механических свойств горных пород предпринимались в связи с близкими к горнотехническим задачами строительной механики, причем на механические свойства пород распространялись оценки, применявшиеся к строительным камням. Начало изучения механических свойств горных пород связывают с именами К. Баха и М. Ростовцева. В работе 'Материалы для урочного положения горных работ', ч. 1 (М. , Изд-во ЦК Горнорабочих, 1926) проф. М. М. Протодьяконов (старший) предложил способ оценки крепости пород и ее использование при проектировании горных выработок с учетом устойчивости пород.

Горные породы проявляют себя, как специфически неоднородные и хрупкие материалы со значительной изменчивостью состава сло-

жсния и свойств в пределах разрабатываемого массива и границ ведения горных робот. Эго и явилось основной причиной обособления механики горных пород от строительной и механики грунтов.

Основополагающей в области изучения механических свойств горных пород явилась монография Г. Н. Кузнецова 'Механические свойства горных пород' (М. , Углетехиздат, 1947). Существенным вкладом в учение о механических свойствах пород и в разработку методов их определения послужили работы О. Мора "Abhandlungen

aus dem Gebiete der technischen Mechanik "Zweite neubearbeitete und erweiterte Aufl age "(Берлин, 1914), К. В. Рупиенейта 'Механические свойства пород', (М. : Углетехиздат, 1956), Л. И. Барона и др. 'Определение свойств горных пород', (М. , Госгортечиздат, 1962). Ряд важных направлений о свойствах горных пород развит в трудах М. М. Протодьяконов** (младшего),

Ж. С. Е.ржонова, С. Е. Чиркова, В. Т. Глушко, И. Л. Турчанинова, а также исследователей институтов ВНИМИ, ИГД им. А. А. Скочинско-го и других институтов. Важная разработка физической теории сопротивления горных пород выполнена А. И. Ставрогиным в работе 'Прочност! и деформация горных пород' (М. : Изд-во ИФЗ АН СССР, 1968).

16.    Специфические механические свойства горных пород определяются следующими особенностями их строения:

-    неоднородностью состава и сложения, определяемой пространственным распределением различных локальных минеральных комт.»-понтов (элементов структуры породы), разнообразно механически связанных друг с другом;

-    наличием систем механических ослаблений (от контактов между минеральными элементами до пор, микро- и макротрещин с различной мерой связности и различными пространственными очертанием и ориентировкой);

-    различной мерой анизотропии сложения (от трансверсальной изотропии до расслаиваемости, слоистости и пластового сложения породного массива).

17.    Вещественный состав и связность горных пород обусловливают их хрупкость* выражающуюся:

-    в значительно большей сопротивляемости разрушению при одноосном сжатии, чем при растяжении;

-    в сравнительно малых величинах остаточных деформаций при разрушении одноосными нагрузками сжатия или растяжения;

-    в существенной роли энергии упругой деформации в общем энергетическом балансе разрушения породы.

С‘ хрупкостью горных пород тесно связана опасность в отношении возникновения горных ударов в подземных выработках, а также внезапных выбросов угля и газа. Она имеет значение и для технологии разрушения массива при добыче ископаемого и проходке выработок. Природа и показатели хрупкости горных пород ешо недостаточно изучены.

18.    Неоднородностью строения горных пород обусловлен так называемый масштабный эффект проявления их механических свойств, выражающийся в количественной зависимости показателей этих свойств от абсолютных размеров породных образцов или нагружаемых участков породного массива. Известны следующие проявления масштабного эффекта (рис. 1):

а.    Разброс величины прочности пород, тем больший, чем меньше размеры породного образца (участка массива). Приближение величины этого разброса к некоторому характерному для каждой породы минимальному значению при достаточно больших размерах образца (участка),

б.    Обратная зависимость средней (с учетом разброса) величины прочности породы от абсолютных размеров образца (участка). Приближение величины средней прочности к некоторому характерному минимальному значению при достаточно больших линейных размерах образца, участка породы ("прочность массива").

Количественные показатели масштабного эффекта изучались пока на малом числе объектов и преимущественно в отношении предела прочности породы при одноосном сжатии. Наиболее важные результаты изучения масштабного эффекта прочности горных пород изложены в работах С. Е. Чиркова "Влияние масштабного фактора на прочность углей" (Алма-Ата, Наука, 1964) и "Упрощенные уравнения проявления масштабного эффекта в горных породах" - в сборнике "Доклады всесоюзной конференции по физике горных пород и процессов" (М.Изд-во МГИ, 1974).

Известно, что при трехосном сжатии проявления масштабного эффекта ослабевают, а при растяжении усиливаются (см. , например, Е. И. Ильницкая и др. 'Свойства горных пород и методы их определения". (М.; Недра, 1968). Масштабный эффект в отношении деформационных свойств пород совсем не изучен.

19.    Анизотропия сложения горных пород отражается на их механических свойствах. Вопросы анизотропии упругих свойств пород рассмотрены С. Г. Лехницким в работе "Теоретическое исследование напряжении в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения" (Тр. ВНИМИ", сб. 45. Л. , 1962). При этом показано, что для анизотропных (в отношении сложения) пород анизотропия упругих свойств невелика.

Анизотропии горных пород в отношении их прочностных свойств при действии сжимающих и касательных нагрузок освещена в статье Г. Н. Кузнецова и М. Н. Будько "Исследование предельных состояний хрупкого материала в различных условиях трехосного сжатия ("Тр. ВНИМИ", сб. 70. Л. , 1968).

20.    Горные породы обладают разнообразными и многочисленными механическими свойствами:

-    деформационными, характеризующими вид деформаций породы (упругие, пластичные, квазилластичные, текучие) и зависимость величины этих деформаций от вида, величины, скорости приложения и длительности действия вызывающих их нагрузок;

-    прочностными, характеризующими условия нагружения и предельные нагрузки (напряжения), вызывающие разрушение породы и полную или частичную потерю ею способности сопротивляться нагрузкам различного вида (сжатие, растяжение, сдвиг);

-    специфическими показателями разрушаемости применительно к особенностям технологии и техники проходческих и добычных горных работ.

Механические свойства пород помимо определяющего влияния их вещественного состава, тесно связаны с некоторыми физическими свойствами (объемный вес, влажность), а также с характеристиками строения (пористость, трещиноватость, анизотропия, неоднородность),

21.    Результатом изучения механических свойств пород являются теории деформируемости и прочности, устанавливающие, более или менее приближенно, количественные критерии и закономерности связи деформаций и условий разрушения с видом, интенсивностью нагрузок и режимом нагружения породы. Имеющиеся теории деформируемости

и прочности пород различны по глубине и разработанности: от эмпирической связи внешних факторов нагружения, деформирования и разрушения, до физической теории, связывающей эти внешние факторы с особенностями состава и строения пород. В связи с использованием при проектировании и ведении горных работ эти теории различаются мерой приближенности принятых аналитических выражений для оценок действительной зависимости деформирования и разрушения пород от нагрузок. Эта мера приближенности определяет степень точности показателей механических свойств пород являющихся параметрами указанных аналитических выражений. Имеет также значение, насколько приближенность теории соответствует требуемой точности инженерных расчетов, использующих эту теорию.

22.    На начальных этапах нагружения большинство горных пород упруго или в преобладающей мере упруго. Упругость пород изучалась в условиях одноосного сжатия и, в меньшей степени, изгиба.

От мало изучена при действии сдвиговых, растягивающих и трехосное жим ающих нагрузок. Связь упругих деформаций горных пород с нагрузками близка к линейной и приближенно описывается линейным законом Р. Гука с параметрами (для изотропных пород): модулем Юнга и коэффициентом Пуассона породы. Опытные данные сви-

детельствуют о сохранении значений этих показателей и самого закона Гука для трехосного сжатия. Для изотропных пород закономерность упругого деформирования, показывающая связь компонентов деформаций и напряженийвидна из выражений:

^£*-^[⁶*-M⁶y ^{+ 6}z)]; Гху -    ;

е_у---[бу-/*(б_{х +} б_а)]; _Yjz . 11'+    ;

^&Z”E [⁶а^-^(^ ^{+ 6}и)]'> Txz ⁼ Щ +    ■

где бу _f 6^    -    нормальные    напряжения    в    направлениях    коорди

натных осей Х,у ,Z (т. е. действующие, соответственно, в плоскостях уz , Х7, и ху ); 6^,6 унормальные относительные деформации в этих направлениях; ^ху, £yz, ^*3 “ касательные напряжения в плоскостях ху , yz , XZ ; Х*У> Г“ относительные угловые деформации в этих плоскостях; Е, - модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Анизотропные породы, по С. Г. Лехницкому (см. п. 19), характеризуются, соответственно, двумя модулями Юнга и тремя коэффициентами Пуассона (ориентированными по главным направлениям анизотропии сложения породы).

Линейность закона упругого деформирования крепких разновидностей пород вплоть до нагрузок близких к пределу прочности позволяет широко использовать теорию упругости для решения многих задач механики горных пород.

23. В некоторых случаях наблюдаются отклонения упругих деформаций горных пород от ^тнейного закона Грис. 2):

а. При весьма малых сжимающих нагрузках на пористые горные породы упругие деформации, сопровождающие закрытие пор, характеризуются более низким модулем упругости, чем при действии больших нагрузок после закрытия пор. Эго явление можно объяснить тем, что при малых нагрузках в упругих деформациях породы участвуют местные значительные деформации неполного числа струк-

Под нормальным напряжением понимается внутренняя сила, действующая на перпендикулярную к ее направлению площадку сечения тела и отнесенная по величине к единице площади этой площадки.

Под касательным (сдвиговым) напряжением, соответственно, - внутренняя сила, действующая в плоскости указанной площадки. Под относительной нормальной или касательной деформацией понимают деформацию удлинения (укорочения) или сдвигового поворота тела, отнесенную к длине этого тела в рассматриваемом направлении.

турных элементов в зоне пор, причем эти местные деформации относят ко всему объему породы.

б. При значительных нагрузках, обусловливающих в некоторых породах развитие неупругих деформаций одновременно с упругими, модуль упругости вновь несколько снижается, по-видимому, за счет потери несущей способности части структурных элементов породы и отнесения упругих деформаций уцелевших элементов ко всему объему породы. Нелинейность закона упругости учитывают, если это требуется, определяя и используя усредненные значения модуля упругости и коэффициента Пуассона для характерных диапазонов нагрузки.

Причины и показатели нелинейной упругости горных пород нуждаются в дальнейшем изучении. Прежде всего, необходимо устанавливать меру точности приближенной оценки упругих свойств линейными" параметрами закона Гука и определять степень надежности использования теории упругости для решения геомеханических задач.

24.    При изучении влияния скорости нагружения на деформации и прочность пород, влияние этой скорости на развитие только упругих деформаций отдельно не исследовалось. Тем не менее, известно, что величина так называемого динамического модуля Юнга, определяющего распространение в породах упругих колебаний, иногда (особенно для пористых пород) существенно отличается от статического модуля.

25.    Кроме упругих (восстанавливающихся при снятии нагрузки) деформаций, обычно при более высоких уровнях нагрузки, проявляются остаточные деформации. Остаточные деформации, не сопровождающиеся снижением несущей способности породы, называются пластическими; сопровождающиеся же развитием трещин и снижением сопротивления породы нагрузкам - квазипластическими. Многие горные породы, в частности угли, ископаемые соли, породы с сильно трещиг-новатым строением и увлажненные осадочные породы с глинистым цементом характеризуются значительным проявлением остаточных деформаций, иногда начиная уже с самых малых нагрузок. Такие породы по преимущественному проявлению этих деформаций считают пластичными. Учет пластичности пород необходим для оценок, расчетов и проектных решений вопросов, связанных, например, с пучением боков и почвы подготовительных и капитальных выработок и

их креплением, особенно в условиях больших глубин горных разработок.

Рис. 3. Приближенные выражения закона пластического деформирования:

1    - "идеальная пластичность";

2    - "пластичность с упрочнением";

3    - "линейная пластичность"; 4 -фактическое деформирование

26.    Пластические свойства пород приближенно выражают различными способами (рис. 3). Один вид приближения предполагает, что пластические деформации начинают развиваться только после того, как упругие достигнут предела упругости породы. Развитие пластических деформаций идет либо с постоянным сопротивлением ("идеальная пластичность"), либо с повышающимся ("упрочнение").

Согласно другому способу приближенного выражения, развитие пластических деформаций идет одновременно с упругими и характеризуется, аналогично упругим свойствам, модулем пластичности. В некоторых случаях (для определенных пород, видов и диапазонов нагрузки и уровней использования закона деформирования) модуль пластичности может считаться примерно постоянным, не зависящим от нагрузки; при этом становится возможным решать некоторые пластические задачи геомеханики, формально используя линейный аппарат теории упругости.

Рядом авторов (Л. А. Шрейнер, Л. И. Барон, Я. А. Бич, М. М. Протодьяконов и др. ) для оценки пластических свойств или (обратная оценка) хрупкости горных пород предлагались также иные показатели. Экспериментальное изучение пластических свойств пород и практика их использования при проектировании горных работ еще недостаточны для оценки приемлемости этих предложений или разграничения области их применения (для разных типов пород или различных направлений использования).

27.    Учет пластических деформаций пород при их лучении в обнажениях выработок в периоды, непосредственно следующие за их проходкой и подработкой, важен для проектирования режимов проходки

и поддержания выработок. В связи с отсутствием инженерных методов геомеханического расчета пучения, пластичность породы в этих случаях оценивают весьма грубо. В качестве грубой инженерной оценки пластичности пород, выполняемой с точностью до ступени пятибалльной шкалы, применяется категория пластичности, предло-

женная Б. В. Матвеевым и др. в работе "Методические указания по упрошенным испытаниям и приближенной оценке пластических свойств горных пород" (Л. , ВНИМИ, 1972). Эта категория условно определяется величиной остаточной деформации, возникающей в породе при нормированном способе нагружения нагрузкой нормированной величины.

28.    Перечисленные пластические свойства горных пород изучались для условий одноосно-сжимаюших нагрузок. Известно, что при действии трехосно-сжимаюших нагрузок пластические свойства большинства пород возрастают: максимальные величины пластических деформаций достигают больших значений, а характер разрушения становится менее хрупким. Однако указанные свойства при трехосном сжатии еще очень мало изучены, количественные закономерности деформирования и оценочные показатели пластичности не установлены, несмотря на их важную роль в проектировании крепи горных выработок. Пластические свойства пород при растяжении совсем не изучены.

29.    Для уточненных расчетов крепи горных выработок не меньшее значение чем пластичность имеет свойство пород сопротивляться нагрузкам и деформироваться после достижения предела прочности. Характер сопротивляемости пород после перехода предела прочности связан также и с динамическим эффектом их разрушения и последующего деформирования. Эго важно для прогнозов опасности возникновения горных ударов и внезапных выбросов угля.

Деформации горных пород за пределом их прочности изучались при действии сжимающих (в основном одноосных) нагрузок. Сущность деформирования породы при этом состоит в появлении и прогрессирующем развитии системы трещин. Порода приобретает характер специфически связанной системы механически взаимодействующих друг с другом структурных элементов. Расположение этих элементов определяет характер их взаимодействия, неоднородную нагрузку и сложное (упругое и пластическое) деформирование каждого из них. В свою очередь, расположение этих элементов обусловлено, в основном, развитием их деформаций с образованием новых трещин или ростом имеющихся. Еще большую роль в деформировании такой системы играют упругие и пластические деформации взаимных связей структурных элементов, частичная или полная потеря этими связями связующей способности (от сплошности до раскрытия трещины) и смешение элементов друг относительно друга по несвязный трещинам.

Внешне такая квазипластическая деформация породы воспринимается как ее макродеформация, связанная с макронагружением.

30.    Деформирование пород сжимающими нагрузками за пределом прочности более или менее быстро приводит к прогрессирующему спаду сопротивляемости (рис. 4). Замечено, что максимальная крутизна этого спада, как правило, находится в обратной связи с интенсивностью развития пластических деформаций до предела прочности: у пластических пород запредельный спад несущей способ-

ности более пологий, чем у хрупких. При деформировании на этапе запредельного спада сопротивляемости возникновение и развитие трещин в породе происходит особенно интенсивно. Порода разрыхляется, и за счет этого заметно увеличивается ее объем. Увеличение объема породы при деформировании за пределом прочности очень важно при расчетах давления пород на крепь подземных выработок.

Спад сопротивляемости породы при дальнейшем ее деформировании замедляется и деформирование всту- 1 ~ хрупких, 2 - пластичных лает в фазу относительной стабилизации остаточной несущей способности. Величина последней для пластичных пород составляет существенную часть их предела прочности, для хрупких же пород она мала. При трехосном сжатии породы величина остаточной несущей способности находится в прямой зависимости от бокового давления. Остаточную несущую способность порода сохраняет (с малыми изменениями) на значительном диапазоне последующих деформаций. Тредшнообразоваиие при этом развивается слабо, а деформирование породы обусловливается, в основном, взаимными смешениями структурных элементов с трением и местным истиранием на контактах, но без существенного разрушения самих элементов. Объем породы при этом почти не изменяется Учет показателей остаточной прочности и соответствующего диапазона квазилластических деформаций при расчете крепи выработок открывает дополнительные резервы ее работоспособности.

31.    Закономерности запредельного деформирования пород очень мало изучены, оценочные показатели квазипластичности еще не установлены, а методы их определения пока трудно осуществимы.

Не разработаны и методы инженерного расчета устойчивости горных выработок и элементов систем разработки, а также оценки

удароопасностн пород с учетом квазипластичности. Поэтому определение квазилластических свойств пород пока не включено в состав разведочных и изыскательских работ и выполняется лишь в поисковых целях надлежаще оснащенными исследовательскими организациями.

32.    Способность горных пород к деформированию и разрушению во времени характеризуется их реологическими свойствами* При ведении горных работ эта способность реализуется, например, в виде пучения почвы и боков выработок в зонах стационарного опорного давления.

Реологические свойства горных пород изучались главным образом в процессах ползучести при одноосном сжатии, при изгибе, а

УДК 622.023: (550.812+622.22+622.12)553.94/96(083. 75)

Рекомендации предназначены для практического использования Геологическими и проектными организациями Министерства угольной промышленности СССР при применении действующих в отрасли 'Требований к определению механических свойств горных пород при геологическом изучении полей шахт Мицуглепрома СССР (при разведке, строительстве, реконструкции и эксплуатации)' 1977 г.

В Рекомендациях детализируются нормативы предусмотренных методов определений, даны указания по их практическому выполнению, краткая информация о научном обосновании этих нормативов, а также о направлениях использования в отрасли результатов определения механических свойств пород.

Работа рассмотрена на Ученом совете ВНИМИ, принята Техническим управлением Минуглепрома СССР.

Ил. 53, табл. 14.

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). 1980.

также, в меньшей мере, - и при действии трехосно-сжимающих нагрузок. Кроме ползучести (процесса развития деформаций породы при действии постоянной во времени нагрузки) проводились единичные исследования релаксации (процесса изменения напряженного состояния породы в условиях постоянной во времени заданной деформации), а также смешанных процессов взаимосвязанного развития во времени напряжений и деформаций, в том числе нагружения с задаваемыми постоянными скоростями деформирования.

Процессы ползучести и релаксации, возникающие в массиве горных пород в зонах горного давления, оказывают существенное влияние на характер распределения напряжений в этих зонах, а следовательно, и на результаты решения задач управления горным давлением и сдвижением пород.

33. Рост деформаций ползучести при действии неизменной нагрузки происходит (рис. 5) замедленно, с приближением либо к постоянному значению деформаций, либо к постоянной величине скорости деформирования, находящихся в прямой зависимости от величины нагрузки. Однако при достаточно большой нагрузке, на определенном этапе ползучести замедление роста деформаций сменяется его ускорением, завершающимся разрушением породы.

Для количественного описания закономерности роста деформаций ползучести применяют два способа аппроксимации. Первый из них - приближенное представление закономерности структурными феноменологическими моделями, сложенными из сопряженных друг с другом упругих, вязких и предельно-напряженных элементов (рис. 6). Оценочными показателями ползучести в этом случае являются коэффициенты вязкости, модули Юнга и пределы пластичности. Пока они почти не применяются в инженерных расчетах, связанных с проектированием и ведением горных работ. Второй способ, предложенный В. Вольтерра и развитый Ж. С. Ержано-вым в работе "Теория ползучести горных пород и ее приложения"

(г. Фрунзе, Изд-во АН Каз. ССР, 1964), основан на зависимости, представленной выражением линейной наследственности деформаций ползучести со степенным интегральным ядром:

e(t>- ^ [б(ъ) + ]6(t-'C)'^A6('b)J d-u.

О

ВВЕДЕНИЕ

1.    Важнейшим условием высокой эффективности и безопасности ведения горных работ и эксплуатации горных выработок является знание и рациональное использование горно-геомеханических процессов и явлений, возникающих в проходимом, разрабатываемом или поддерживаемом породном массиве при выполнении горнотехнологических операций.

Выемка в массиве горной породы или угля и образование горной выработки перераспределяет естественное напряжение массива от действия его собственного веса и веса налегающих горных пород. Невынутая часть массива вблизи выработки пригружается горным давлением зависших пород, породы деформируются, иногда разрушаются. Деформации и обрушение пород в выработанное пространство обусловливают сдвижение массива, в некоторых случаях вплоть до дневной поверхности. Эти деформации и сдвижение могут способствовать ведению горных работ (например, отжим угля), но могут и препятствовать им (завал выработки или горный удар).

2.    Закономерности проявлений и развития процессов горного давления и сдвижения горных пород в различных горнотехнических ситуациях, при различных видах горных работ, в разнообразных геологических условиях в значительной мере изучены. Однако, эта изученность, приемлемая для типовых условий, применительно к конкретным случаям не всегда достаточно полна, детальна и точна; она не вполне охватывает сложные горногеологические и горнотехнические условия (большие глубины разработки, сложные температурные и гидрогеологические условия, интенсификацию и новые технологические приемы ведения горных рабст). Более детальное и надежное знание проявлений и развития процессов горного давления и сдвижения пород позволит в перспективе более полно использовать их при горных работах, сокращать имеющиеся омертвленные резервы и применять более эффективные технические решения и технологические приемы.

При проектировании горных работ предусматривается прогнозирование и учет проявлений горного давления и сдвижения пород, а при ведении этих работ выполняются мероприятия по управлению горным давлением и сдвижением: применение соответствующего крепления вы аботок и установление такого порядка горных работ, при котором

развивающиеся процессы горного давления и сдвижения пород не препятствуют этим работам и в нужных случаях обеспечивают устойчивость выработок. Например, отставание крепления капитальных выработок от их проходки должно обеспечивать снятие части упругих нал ряже шей вблизи обнажения (разгрузка) с передвижением максимума горного давления вглубь массива; однако при этом необходимо предотвращать развитие обрушения и потерю несущей способности обнажаемого массива при чрезмерном отставании крепления. Кроме крепления выработок, к числу мероприятий по управлению горным давлением относится применение охранных целиков, погашение неиспользуемых выработок и др. При проектировании и ведении горных работ и выемке угля предусматривают расчет необходимых механических параметров крепи и определение рациональных размеров целиков различного назначения и других элементов систем вскрытия и разработки, при которых обеспечивается оптимальное соотношение высокой производительности горных работ и благоприятного развития процессов горного давления и сдвижения пород, определяющего безопасные условия труда.

3. Проектирование систем вскрытия и разработки месторождений, способов очистной выемки ископаемого, проведения и поддержания выработок практически в значительной мере опирается на положительный опыт предыдущих инженерных решений и использование аналогии с условиями этого опыта. Этот опыт сформировался в результате статистических обобщений практики горных работ, и горно-геомеха-нических исследований. В первом случае, статистический-отбор обобщаемых данных, естественно, исключил случаи отрицательного (по причинам неблагоприятного развития геомеханических процессов) опыта неуспешных решений горнотехнических задач. Тем самым оказались в какой-то мере учтенными горно-геомеханические факторы без их аналитического изучения. Однако при обобщении сами эти факторы далеко не всегда фиксировались и использовались в качестве критерия аналогии; в результате, применение таких аналогий при проектировании сопряжено с известным риском и нуждается в дополнительных проектных запасах на незнание неучтенных факторов.

Болес обоснованным и эффективным является использование при проектировании аналогичных инженерных решений, обобщенных с учетом оценки горно-геомеханических факторов; горного давления, сдвижения пород, горногеологических условий, и в том числе важнейшего из этих условий - механических свойств пород. Нередко такие аналогии обобщены в типовые инженерные решения, таблицы, атласы, каталоги.

Реже в проектной практике используются прямые приближенные инженерные расчеты по методу геомеханической аналогии проектируемых элементов систем разработки и горных работ с аналогичными элементами изученных прогрессивных систем и работ. Рассчитываемые при этом параметры определяются с использованием их прямой связи с показателями механических свойств породного мас-

сива в проектируемой и в известной, аналогичной горнотехнической ситуации. Этот метод инженерной аналогии также использует удобные табличные или графические выражения связи проектируемых параметров горных работ с такими показателями геомеханической ситуации, как крепость пород вмещающего массива и т. п.

Для решения ряда горнотехнических задач сделаны более или менее удачные попытки полного и строгого научного анализа явлений горного давления и сдвижения пород, включая напряженное состояние и деформации вмещающего массива, оценку его устойчивости и взаимодействия с крепью. Механизм этих явлений для изученных случаев описан точными аналитическими выражениями, применение которых при проектировании элементов систем разработки и горных выработок позволяет рассчитывать их параметры с учетом показателей механических свойств горных пород. Такие расчеты производят, если тяжелые и малоизученные горногеологические условия проектируемых объектов не находят удовлетворительных аналогов в изученной практике и типовых решениях. Применяют такие расчеты и при уточнении типовых решений с целью сокращения проектных запасов, применяемых для компенсации риска, связанного с неполным знанием условий и недостаточной обоснованностью исходных данных типовых решений.

4.    Разрушение пород или угля в массиве или их деформирование под действием напряжений горного давления зависят от горногеологических условий, в том числе от прочностных и деформационных свойств этих пород и угля. Поэтому получение проектной и шахтостроительной организациями и шахтой необходимых сведений о фактических показателях механических свойств горных пород является обязательным условием успешности проектирования, строительства

и эксплуатации горного предприятия.

Кроме вопросов управления горным давлением и сдвижением пород при подготовке, проектировании, ведении и развитии горных работ, учитывают вопросы технологии и техники проходки выработок и выемки угля, выбора рациональных параметров средств разрушения угля и пород, конструкции и режимов работы проходческих и добычных инструментов и механизмов, обеспечивающих необходимую производительность и другие технические и экономические показатели работы как горнодобывающего, так и шахтостроительного предприятий. Для решения этих вопросов при проектировании и ведении горных работ используются также сведения о разрушаемости и других механических свойствах угля и пород.

5.    Сведения о механических свойствах пород и угля являются неотъемлемой частью результатов всех этапов геологического изучения месторождений и полей шахт: геологоразведочных работ, инженерно-геологических изысканий, повседневного геологического обеспечения эксплуатирующихся шахт.

Показатели механических свойств, выявленные в результате опробования пород, угля при выполнении предварительной разведки и

включаемые в технико-экономический доклад (ТЭД) о ее результатах, используются проектной организацией при разработке техникоэкономического обоснования строительства горного предприятия. При этом прогнозируют общие промышленные перспективы разработки месторождения, его горногеологические особенности и основные условия вскрытия и отработки.

Данные о механических свойствах пород, угля, установленные детальной разведкой и доразведкой и включаемые в документы этой разведки, используются проектной организацией (или проектирукадим подразделением угледобывающего объединения) для составления технического проекта строительства или реконструкции горного предприятия. Проектируют системы вскрытия (углубления) и разработки, технологию и технику горных работ, мероприятия по предотвращению горных ударов и других динамических явлений в разрабатываемом массиве горных пород нормирование и определение стоимости горных работ.

Сведения о механических свойствах пород угля, полученные инженерно-геологическими изысканиями при строительстве или реконструкции угледобывающих предприятий используются:

-    проектной организацией для контрольного подтверждения правильности принятых проектных решений, повышения надежности, выявления и оценки резервов рабочего проекта строящегося горного предприятия и, в необходимых случаях, срочного внесения в проект коррективов;

-    шахтостроительной организацией для оперативного и правильного выбора проходческого оборудования, эффективной технологии проходческих, работ, нормирования их трудоемкости и расхода проходческих материалов и инструментов;

-    строящимся предприятием в качестве основного (наряду с данными разведки) исходного фонда геологических сведений по полю шахты, разреза, пополняемого в ходе эксплуатации геологической службой и используемого производственными службами для развития предприятия.

Результаты последующих определений механических свойств горных пород в ходе эксплуатации горных предприятий, в том числе данные эксплуатационной разведки и геологической службы предприятия, используются его производственными службами для планирования, проектирования, нормирования и ведения горных работ по нарезке добычных участков, проходке выработок, выбору способов и средств ведения горных работ, обеспечению их безопасности и эффективности .

I. ОБЪЕМЫ И СОСТАВ РАБОТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ИЗУЧЕНИИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ И ПОЛЕЙ ШАХТ

6.    Объемы работ по определению механических свойств горны* пород, угля геологическими и изыскательскими организациями Минут лепрома СССР, а также геологической службой угольных шахт представлены в содержании действующих в отрасли 'Требований к определению механических свойств г орных пород при геологическом изучении полей шахт Минуглепрома СССР (при разведке, строительстве, реконструкции и эксплуатации)'. В '7‘ребоваииях. . . ' имеются разделы с указаниями нормативов для перечисленных этапов изучения и освоения шахтных полей. В то же время, во избежание ненужного повторения работ, выполненных на предшествующих этапах, предусматривается их преемственное использование на последующих.

7.    Объемы работ по определению механических свойств горных пород на каждом этапе геологического изучения шахтных полей установлены в соответствии с целями, перечисленными в п. 5 и необходимыми для этого представительностью и надежностью изучения. Здесь представительность предусматривает типичность изучаемых мест с целью использования результатов определения свойств пород, а под надежностью понимается мера удовлетворения точности расчетов и проектов при использовании определяемых показателей. Поэтому места породного массива на месторождении, изучаемые в отношении геологического сложения и механических свойств, установлены 'Требованиями. . . ' исходя из вероятного расположения горных выработок при системе разработки, применяемой на угольном месторождении данного морфологического типа, с учетом расположения и размеров зон активного проявления горного давления

и сдвижения пород около этих выработок.

Например, при разработке мощного крутопадающего угольного пласта щитовыми или слоевыми системами разработки с обрушением кровли, в непосредственном (беспорядочном) обрушении, определяк>-шем способ управления горным давлением, участвуют породные слои кровли угольного пласта мощностью до 1-1,5 м и такая же мощность подстилающих пласт пород. Эти же слои, вместе с самим угольным пластом, образуют зону, механические свойства и деформации которой непосредственно определяют устойчивость выработок, пройденных по пласту, и давление на их крепь. Поэтому сведения о Механических свойствах угля и пород в этой зоне имеют наибольшее значение и определяются особо детально.

Зоны пород, покрывающих и подстилающих беспорядочно обрушае-мые, характеризуются развитием интенсивных напряжений опорного давления, а в подрабатываемой части, кроме того, разломом и упорядоченным оседанием на обрушенные породы. Эти процессы влияют на проявления горного давления в пластовых выработках, а также определяют устойчивость полевых выработок. Поэтому механические свойства пород этих зон также необходимо определять, хотя и менее детально, чем в зоне непосредственного залегания пласта. Исследования горного давления показали, что размеры зон детального изучения в покрывающих пласт породах основной кровли определяются (кроме участков с труднообрушаемой кровлей) мощностью 4М-5М, но не более 25 м, и в подстилающих породах - 1М, но не более Юм. Здесь М - вынимаемая мощность угольного пласта.

Механические свойства слоев пород, еще более удаленных от разрабатываемого пласта, влияют на решение некоторых вопросов разработки, например - прогнозирования горных ударов, сдвижения дневной поверхности, обеспечения устойчивости квершлагов и др. Определение механических свойств этих слоев предусматривается еще менее детальным: только по представителям литогенетических разновидностей.

8. Интервалы между местами изучения механических свойств как по площади залегания изучаемого массива горных пород, так и по его мощности обусловливаются его природной неоднородностью (изменчивостью в плоскости напластования и слоистостью) и требуемой мерой надежности изучения.

На стадии предварительной разведки изучение механических свойств пород, предусмотренное 'Требованиями. . . ', проводится с использованием части скважин этой разведки, рассредоточенной по разведываемой площади. Интервалы между местами расположения в плане скважин, в которых механические свойства должны быть изучены, устанавливаются кратными соответствующим интервалам размещения по площади (в направлении простирания и вкрест простиранию) всех скважин разведочной сети.

Кратность этих интервалов должна определяться в зависимости от сложности геологического строения разведываемого участка таким образом, что в наиболее сложных местах, там, где располагаются геологические нарушения и т. п. , изучение механических свойств производится по максимальному числу скважин разведки.

На стадиях детальной разведки (и доразведки) 'Требованиями. . . ' предусмотрено сгущение сетки скважин, используемых для изучения механических свойств, одновременно с общим сгущением сетки разведочных скважин.

В районах развития горно-эксплуатационных работ для изучения механических свойств угля, пород рекомендуется широко использовать горные выработки близрасположенных шахт и разрезов с условиями залегания, аналогичными изучаемым.

9.    Для того, чтобы исключить повторение работ по изучению механических свойств пород, объем этих работ по каждой скважине как предварительной, так и детальной разведки (и доразведки) выполняется одинаковым - для преемственного использования.

В зонах особо детального изучения по мощности массива пород (угольные пласты, слои непосредственной кровли и почвы) изучаются каждый слой мощностью не менее 0,3 м и представители лито-тилов слоев меньшей мощности. В зонах детального изучения (основная кровля, основная почва) предусматривается изучение всех слоев мощностью не менее 1 м и представителей литотипов слоев меньшей мощности. В зонах менее детального изучения (покрывающие и подстилающие породы) предусматривается изучение представителей различных слоев из числа имеющихся литотипов.

10.    На стадиях детальной разведки и доразведки для изучения механических свойств пород "Требованиями. . . " предусмотрено также использование части скважин, размешенных вблизи намеченных ТЭО участков расположения околоствольных дворов и уточняющих разрез по местам предполагаемого заложения шахтных стволов и главных квершлагов. При этом изучение обязательно проводят по скважине, ближайшей к месту предполагаемого заложения каждого ствола, а также по тем скважинам, число и глубина которых обеспечивают перекрытие разреза пород по профилю вдоль оси предполагаемого заложения каждого квершлага в пределах его длины. По этим скважинам предусмотрено изучение всех пластов и породных слоев.

11.    На стадии инженерно-геологических изысканий, выполняемых при строительстве и реконструкции шахт, объемы работ по изучению механических свойств пород предусматривают использование следующих скважин:

-    контрольно-стволовых;

-    вертикальных (или наклонных), пробуренных с поверхности (или из горных выработок) по осевым линиям горизонтальных и наклонных выработок главных направлений, подлежащих проходке;

-    горизонтальных опережающих по направлениям подлежащих проходке главных квершлагов и других капитальных выработок . Кроме того, изучение проводят в обнажениях массива стенками проходимых горных выработок.

Установленные "Требованиями. . . " зоны массива, подлежащие изучению механических свойств по указанным скважинам и выработкам, обеспечивают представительность получаемых данных, а перечень породных слоев в этих зонах и интервалы отбора проб для исследования обеспечивают как его представительность, так и необходимую надежность.

12.    При геологических работах на эксплуатирующихся угледобывающих предприятиях 'Требованиями. . . ⁹ предусмотрено изучение свойств пород:

- во* всех имеющихся и проходимых шахтных стволах, шурфах, квершлагах и других капитальных, а также подготовительных выработ-