Масштабный эффект в горных породах

Влияние физических полей на свойства горных пород

Горное давление в массиве обусловлено весом вышележащей толщи пород и остаточными тектоническими напряжениями. Если суммарное давление не превышает предела упругости горных пород, его действие

приводит к уплотнению среды, залечиванию трещин и пор. В итоге горные породы становятся более прочными и упругими. При напряжениях за пре­делом упругости, близких к прочности пород, в массиве могут развиваться трещины и подвижки структурных блоков. Особую опасность представ­ляют динамические проявления горного давления в виде горных ударов, выбросов угля и газа.

Увлажнение массива неодинаково влияет на различные свойства по­род. Замещение газа в порах и трещинах более плотной водой приводит к росту объемной массы горных пород и величины всех характеристик, свя­занных с распространением энергии: скорости упругой волны, электро - и теплопроводности. С другой стороны, вода как практически несжимаемое тело, попадая в трещины, оказывает расклинивающее действие, а проникая на контакты минеральных зерен, играет роль смазки. Все это сопровожда­ется снижением прочности, упругости и возрастанием пластичности по­род. Кроме того, действие агрессивных шахтных вод может привести к растворению или выщелачиванию отдельных минералов, что также приво­дит к ослаблению горных пород. Особенно сильно сказывается увлажне­ние на свойствах глинистых пород.

Тепловое поле в массиве обусловлено как естественными причинами (температурный градиент Земли), так и искусственным нагреванием или охлаждением пород в различных процессах горной технологии. Нагрева­ние горных пород приводит к их расширению, т.е. увеличению расстояния между атомами, облегчению движения и размножения дефектов породы и возникновению локальных термических напряжений. Все это способствует разупрочнению пород. Испарение воды в трещинах может привести к уве­личению прочности массива, особенно этот эффект проявляется в глини­стых породах. Наиболее сильно свойства влажных горных пород меняются при переходе температуры через (см. раздел «Мерзлые горные поро­ды»).

Электромагнитное поле воздействует на массив непосредственно и через нагрев. Непосредственным действием поля можно, в принципе, управлять движением дефектов, тем самым управляя свойствами горных пород. Эта возможность определяется тем, что в ионных кристаллах де­фекты обладают электрическим зарядом.

В общем случае масштабным эффектом называется зависимость свойств твердых тел от их объема. Впервые проявления масштабного эф­фекта как научный факт осознал еще Галилей. Наиболее сильно масштабный эффект сказывается на прочности горных пород. С увеличением мас­штаба воздействия на горные породы (объема) их прочность может снижаться в несколько раз (рис.8.3). Снижение прочности обусловлено увеличением вероятности участия в процессе разрушения определяющего дефекта с увеличением объема горной породы, т.е. эффект имеет вероятностную природу. Для учета масштабного эффекта в различных телах и горных породах предложено достаточно большое число уравнений. Обобщенную их структуру можно представить в следующем виде:

(8.1)

Зависимость прочности [ ] от объема горной породы определяется следующими параметрами: - минимально возможная прочность дан­ной породы (асимптота графика на рис.8.3). Опыт показывает, что мини­мальной прочностью обладает массив, объем которого определяется ли­нейным размером, содержащим от 5 до 7 размеров структурных блоков. Так, если расстояние между трещинами отдельности составляет 10 см, то максимальный объем массива, за пределами которого масштабный эффект уже не проявляется, равен.

Рис. 8.3. Зависимость прочности от объема горных пород

При размере структурных блоков 1 м такой объем составит уже. Теоретическая прочность горной породы ат определяется силами связи атомов и ионов. Показатель масштабного эффекта n можно определить по формуле

(8.2)

где и - прочность горной породы объемом соответственно и.