Определение механических свойств породного массива

Определение показателей прочности горной породы в образце является первым шагом к установлению механических показателей породного массива, которые в дальнейшем используются для прогноза геомеханических процессов при ведении проходческих работ и горных работ. Как известно, на прочность породного массива оказывает влияния структурная нарушенность породного массива, степень влияния которой зависит от многих факторов. Для оценки структурной нарушенности породного массива используются различные рейтинговые показатели и классификационные схемы, наибольшую распространение из которых получили рейтинговая классификация породного массива () Бениявского, рейтинговая классификация породного массива () Бартона и методика оценки геологической прочности породного массива () Хока и Брауна. Из представленных рейтинговых систем, первые две наиболее полно отражают качественное описание нарушенности породного массива и используются элементами полуэмпирических методик для прогноза устойчивости породных обнажений и реомендаций по выбору типа и параметров крепей горных выработок. Геологический индекс прочности породного массива Хока и Брауна в основном используется для комплексной оценки влияния структурной нарушености породного массива на деформационные и прочностные потакатели породного массива.

Критерий прочности горной породы Хока-Брауна запишем через главные напряжения

(1.10)

где  - главные максимальные эффективные напряжения;  - главные минимальные эффективные напряжения;  – прочность породы в образце при испытании на одноосное сжатие; , ,  – эмпирические параметры критерия прочности Хоека-Брауна, зависящие от геологической структуры породного массива.

Параметры , ,  можно получить по следующим зависимостям

	(1.11)
	(1.12)
	(1.13)

где  – геологический индекс прочности;  – параметр характеризующий тип горной породы;  – показатель качества буровзрывных работ (нарушенности массива).

Геологический индекс прочности  определяется согласно рекомендациям [6] (рисунок 1.3). Упрощенно показатель  можно определить как

(1.14)

В некоторых случаях удобнее выполнять геомеханической анализ, представив критерий прочности не через главные напряжения, а через касательные напряжения и эффективные нормальные напряжения согласно критерию Кулона-Мора.

(1.15)

где  – прочность породы сдвигу;  - эффективные нормальные напряжения;  - эффективная величина сцепления породного массива;  - эффективный угол внутреннего трения породного массива.

Параметры критерия Кулона-Мора  и  получим из условия прочности Хоека-Брауна для определенной величины напряжений

	(1.16)
	(1.17)

где .

Значение , при анализе тоннелей глубокого заложения, можно найти по следующей зависимости

(1.18)

где  – удельный усредненный вес выше лежащих пород;  – глубина заложения тоннеля.

Показатель качества буровзрывных работ (нарушенности массива)  согласно [6] принимает следующие значения (таблица 1.13).

Глобальная прочность  породного массива на сжатие может быть определена по следующей зависимости

(1.19)

Прочности породного массива на одноосное сжатие  и растяжение  согласно критерию прочности Хока-Брауна могут быть определены

(1.20)

Модуль деформации породного массива также может быть определен по методике предложенной Хоком и Брауном

(1.21)

 

 

Таблица 1.12 – Геологический индекс прочности  породного массива []

Геологический индекс прочности		Качество поверхности горной породы	Очень хорошее. Очень шероховатая, не выветрелая поверхность	Хорошее. Шероховатая, слегка выветрелая поверхность.	Среднее. Гладкая, средене выветрелая и измененная поверхность	Плохое. Гладкая скользкая поверхность, весьма выветрелая. Трещины заполнены уплотненной породой.	Плохое. Гладкая скользкая поверхность, весьма выветрелая. Трещины заполнены мягкой глиной
Структура породного массива			Ухудшение качества поверхности горной породы
	Сплошная, массивная – породный массив без нарушений и трещин или с несколькими одиночными трещинами	Уменьшение прочности внутренних связей между кусками горной породы	90			Нет данных	Нет данных
	Блочная – ненарушенные блоки горной породы кубической формы, разделенные между собой двумя или тремя системами трещин
	Весьма блочная – ненарушенные блоки горной породы произвольной формы, разделенные между собой четырьмя и более системами трещин
	Блочная/нарушенная/слоистая – складчатая структура, состоящая из угловатых блоков, разделенных системами трещин. Наличие слоистости и плоскостей напластования		Нет данных	Нет данных
	Дезинтегрированная – плохо связанные между собой отдельные блоки произвольной формы, перемешенные с угловатыми и круглыми кусками горной породы
	Слоистая – отсутствие блочной структуры, незначительное расстояние между слоями породы или плоскостями сдвига

 

 

Таблица 1.13 – Значение параметра

Графическое представление поверхности породных обнажений	Описание породного массива	Рекомендуемая величина параметра
	Отличное качество поверхности контура породного обнажения. Применение гладко контурного взрывания или проходческого комбайна. Минимальное воздействие на породный массив в приконтурной зоне.	0.0
	Слабые породы. Механическая или ручная разработка породы. Минимальное воздействие на окружающий породный массив.	0.0
	В породных массивах склонных к проявлению пучения и значительных деформаций контура породного обнажения.	0.5
	Очень плохое качество буровзрывных работ в весьма прочных породных массивах. Значительные локальные повреждения контура породного обнажения. Зона распространения повреждений 2 – 3 м от контура породного обнажения.	0.8
	Локальные взрывные работы приводят к незначительным повреждениям породного массива, особенно если применяется гладко контурное взрывание. Однако перераспределение напряжений может вызвать некоторые дополнительные повреждения.	0.7 Хорошее качество взрывных работ
		1.0 Плохое качество взрывных работ
	Породный массив, в зоне ведения взрывных работ на карьерах значительных размеров, испытывает значительные повреждения, вызванные масштабными взрывами, а также перераспределением напряжений вызванных разработкой породы.	1.0
	В некоторых слабых породах разрушение породы может быть выполнено механическим способом. В этом случае степень нарушенности породного массива меньше.	0.7

Рисунок 1.3 – Зависимость относительного показателя прочности породного массива от параметра

 

Рисунок 1.4 - Зависимость относительного показателя жесткости породного массива от параметра