Анизотропность механических свойств горных пород

Слоистость горных пород

Слоистость горных пород, строение горных пород в виде налегающих один на другой слоев, различающихся минеральным составом, цветом, особенностями слагающих породы частиц и другими признаками. С. г. п. — один из важнейших признаков и свойственна большинству осадочных горных пород. Слоевые единицы (слои, слойки) обычно отделены один от другого более или менее отчётливыми плоскостями раздела. Различается С. г. п. двух типов: слоистость осадочных толщ и слоистость внутри слоя породы.

Слоистость осадочных толщ (стратификация, или напластование) образуется преимущественно слоями или пластами горных пород, различных по составу, текстуре (в т. ч. внутренней тонкой слоистости) и другим особенностям. В зависимости от мощности слоев выделяют тонкую, мелкую, крупную и очень крупную С. г. п. По соотношению толщины отдельных слоев она может быть равномерной и неравномерной. Первичное залегание слоев и пластов обычно горизонтальное, в некоторых случаях — наклонное. Этот тип С. г. п. обусловлен изменением поступающего в осадок материала (в виде взвеси частиц разной величины или в растворе), сменой условий внутри области осадконакопления (гидродинамики, химического состава вод, жизнедеятельности организмов и др.), которые связаны с сезонными и климатическими колебаниями, миграцией фаций, тектоническими движениями, вулканизмом и др.

Слоистость внутри слоя одной породы (слойчатость) выражается в чередовании обычно тонких слойков (толщиной от долей мм до 1—2 см), различающихся по структуре составляющих породу компонентов, их минеральному составу или примесям. Слойки, группируясь, образуют серии или пачки, отделённые более или менее выраженными границами (рис.). В зависимости от фактора, формирующего осадок (главным образом динамические состояния среды отложения), эта слойчатость по форме слойков и их расположению может быть горизонтальной, косой и волнистой (промежуточными типами — косоволнистой и пологоволнистой). Горизонтальная слойчатость, возникающая в спокойных водах, часто связана с сезонными колебаниями климата, косая — формируется различными течениями, волнистая — волновыми движениями вод.

Отличительной особенностью горных пород некоторых месторождений, которые представлены различными песчаниками, сланцами и филлитами, является их слоистая структура, так как они имеют осадочное и метаморфическое происхождение. Обычно по слоям силы связи ослаблены, слои представляют собой нарушения сплошности. Поэтому при расчетах устойчивости бортов карьера таких месторождений необходимо учитывать слоистость и анизотропность горных пород.

При испытании слоистых сланцев или филлитов на прочность при одноосном сжатии и растяжении необходимо уделить особое внимание на их слоистость, чтобы установить, как изменяется прочность в зависимости от направления слоев по отношению к направлению действующей силы. Поэтому для отобранных слоистых горных пород прочность при одноосном сжатии и растяжении определяется, испытывая образцоввдоль (параллельно - //) и поперек (перпендикулярно - ┴) слоистости, а также под разными углами.

Результаты опытов показывают, что если провести испытание при разных углах между направлением слоев и направлением действующей силы, то величина определяемого показателя прочности на одноосное сжатие и растяжение каждого из испытанных образцов будет различной.

Анизотропность горных пород можно характеризовать коэффициентом анизотропии, представляющего собой отношение максимального значения показателя свойства к минимальному значению данного показателя по разным направлениям.

Результаты экспериментальных исследований прочностных свойств слоистых горных пород позволяют отметить, что прочность при одноосном сжатии и растяжении слоистых горных пород в значительной мере зависит от значения угла между направлением приложенной силы и слоистости(α). Наибольшие значения прочности при одноосном сжатии характерны для направления сжатия поперек (α=90⁰) и параллельно (α=0⁰) слоистости, наименьшие – для углов 30-50⁰ между направлением сжатия и направлением слоистости. Значения скоростей прохождения ультразвуковых волн также изменяются в зависимости от угла (α) между направлением слоистости и направлением прозвучивания. Максимальное значение скорости продольной волны имеет место при прохождении волн параллельно слоистости, а минимальное – перпендикулярно слоистости.

Известно, что механические свойства слоистых горных пород (сланцы, филлиты, песчаники) в зависимости от угла между направлениями слоистости и внешнего воздействия изменяются значительно. Например, в результате испытаний филлитов Кумторского месторождения было выявлено, что при разных углах между направлениями слоистости и действующей силы величина определяемого показателя прочности различная. Однако, как показал анализ результатов ранее выполненных исследований, до настоящего времени нет количественной оценки изменения показателей прочности горных пород от угла между направлением слоистости и приложенной силы. Проводится учет изменения прочности только для двух случаев, а именно для случаев параллельно и перпендикулярно слоистости. Прочностные и деформационные характеристики слоистых горных пород в значительной мере – в среднем 2-3 раза изменяются в зависимости от угла между направлениями слоистости и внешнего воздействия.