К вопросу об определении параметров прочности горных пород для оценки устойчивости обнажений скальных массивов

Бабелло В.А.   Профессор кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Забайкальского государственного университета, д.т.н., г. Чита.

Смолич К.С.   Доцент Забайкальского института предпринимательства Сибирского университета потребительской кооперации, к.т.н., г. Чита

Гришин А.В.   Генеральный директор Научно-внедренческой компании «Горная геомеханика», доц., к.т.н., г. Москва

Никифорова И.Л.   Научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва

Аннотация:

В статье обсуждаются вопросы оценки параметров прочности скальных пород в лабораторных и натурных условиях. Показано, что большие трудности возникают при исследовании массивов с разнонаправленной трещиноватостью и поверхностями ослабления. Показано, что для увеличения достоверности прогноза развития геомеханических процессов при освоении недр необходимо учитывать блочное строение массива, в том числе и при проведении лабораторных испытаний на образцах

Вопросы оценки устойчивости обнажений скальных массивов при строительстве дорожных выемок, котлованов или бортов карьеров остаются на сегодняшний день достаточно актуальными, особенно если массив представлен горными породами, нарушенными большим количеством разнонаправленных трещин и поверхностями ослабления тектонического происхождения.

Примером может служить месторождение сурьмы Хара-Шибирь, находящееся на стадии разведочных работ в Забайкальском крае на границе Могойтуйского и Шилкинского районов. На рисунке 1 представлен западный борт действующего карьера этого месторождения. 

Рис. 1. Западный борт карьера месторождения Хара-Шибирь

В геологическом строении территории месторождения принимают участие стратифицированные образования верхнего отдела триасовой системы. Непосредственно рудовмещающей толщей являются конгломераты и туфоконгломераты нижнекаменской подсвиты. На юге конгломераты имеют четко выраженный тектонический контакт с песчаниками и алевропесчаниками. Северный фланг сложен туфогенно-вулканогенными породами верхнекаменской подсвиты с преобладанием дацитов и экструзивных кластолав. Вулканогенно-терригенная формация верхнего триаса представлена андезитами, дацитами, туфолавами среднего состава, туфами кислого состава, туфоконглобрекчиями, конгломератами и туфоконгломератами с прослоями андезитовых и андезит-базальтовых порфиритов, дацитовых порфиритов, их туфами и туфолавами, а также прослоями реалитовых порфиров. В породах отмечаются зоны развития вторичных кварцитов. Породы формации прочные, относятся к группе скальных. 

Проблема оценки устойчивости бортов действующего карьера месторождения Хара-Шибирь возникла в связи с предстоящей его реконструкцией – углублением и расширением. В связи с этим необходимо было обеспечить получение надежных исходных данных для проведения геомеханических расчетов, в первую очередь параметров физико-механических свойств пород. Анализ фондовых материалов показал, что имеются лишь отдельные разрозненные сведения, касающиеся упомянутых характеристик. При этом параметры прочности пород были получены в лаборатории при одноосном сжатии образцов, что было явно недостаточно для оценки устойчивости бортов карьера.

Следует отметить, что в рассматриваемых условиях традиционные лабораторные методы определения прочностных характеристик горных пород, рекомендуемые автором книги [7], могут давать завышенные значения. Это связано с тем, что на прочность рассматриваемого массива в первую очередь оказывает влияние ряд факторов: наличие трещин, расстояние между ними, их частота и ориентация, протяженность поверхности ослабления, шероховатость и прочность по контакту, влажность и сцепление заполнителя. В качестве доказательства этого положения авторами настоящей статьи было выполнено сравнение прочностных характеристик рассматриваемых горных пород двумя методами: (1) традиционным методом испытаний образцов горных пород в лаборатории путем их нагружения сферическими инденторами [2] с использованием прибора «Викинг» [3]; (2) методом обрушения призм горных пород в натурных условиях (рис. 2–4) [1]. Результаты сравнения опытных данных приведены в таблице 1. 

Рис. 2. Схема определение физико-механических свойств горных пород методом обрушения призм:

1 – массив горных пород; 2 – динамометр; 3 – домкрат; 4 – пластина, передающая давление на призму; 5 – призма обрушения; 6 – поверхность обрушения.

Рис. 3. Определение физико-механических свойств горных пород

методом обрушения призм в натурных условиях

Рис. 4. Обрушенная призма с сформировавшейся очень сложной поверхностью обрушения

Таблица 1

Сравнение результатов испытаний образцов горных пород в лабораторных условиях и методом обрушения призм

Результаты испытаний образцов горных пород в лабораторных условиях указывают на то, что среднее значение угла внутреннего трения достаточно устойчиво, так как коэффициент вариации составил менее 1%. А надежность определения сцепления оставляет желать лучшего, так как коэффициент вариации составил 76,72%.

Значительные коэффициенты вариации, полученные при испытаниях методом обрушения призм, объясняются характером неоднородности массива, его значительной раздробленностью, а также сравнительно малым количеством дорогостоящих экспериментов (5 испытаний). Количество испытываемых образцов в лабораторных условиях составляли несколько десятков на геологический элемент, что снижает общие погрешности определения средних значений показателей, хотя и они значительны, особенно для сцепления.

Поскольку массив горных пород представляет собой сложно структурированную, неоднородную среду, разбитую системами трещин различной иерархии на блоки, то на развитие геомеханических процессов существенную роль оказывает, какое количество этих блоков попадет в зону влияния горных пород [8]. Так можно предположить, чем больше структурных блоков разного порядка будет попадать в зону влияния горных пород, тем интенсивнее будут протекать деформационные процессы в рассматриваемом массиве.

Для проверки выдвинутого предположения был проведен лабораторный эксперимент по определению прочности образцов горных пород, заключавшийся в определении способности образцов горной породы разного размера сопротивляться нагрузкам на одноосное сжатие.

Перед испытанием образец обмеряли и устанавливали на пресс с точной подгонкой его контактной поверхности к давильной плите пресса.

При оценке прочности образцов в расчет принимались максимальные усилия, затрачиваемые на разрушения образцов, которые относились к их объему. В результате испытаний было выявлено, что разрушения образца большего размера происходило гораздо сильнее чем аналогичное разрушения меньшего образца. Это можно объяснить тем, что в образце большего размера находится большее количество микротрещин разного иерархического порядка, по сравнению с аналогичным образцом меньшего размера, при нагружении образца эти микротрещины раскрываются, нарушается целостность образца и при определенном пределе происходит его разрушение.

По изложенной методике, испытанию на раздавливание подверглось более 20 образцов, четырех вариантов размеров, со 125 кратным отношением их объемов и с 10 кратным отношением их линейных размеров. Результаты испытания образцов приведены в сводной таблице 2.

Таблица 2.

Результаты средних данных испытаний образцов доломита

Рис.5. График зависимости временного сопротивления раздавливанию объема образца доломита P кН/см³ от объема образца V, см³.

Из графика видно, что при 125 кратном увеличении объема образца горной породы временное сопротивление раздавливанию падает, на 80-90%. Начиная с размера образца объемом 64 см³ (плечо 4 см), кривая начинает выполаживаеться.

Общая тенденция уменьшения прочности образца с увеличением его размеров может быть объяснена большой вероятностью наличия в нем трещин различной иерархии, в том числе и достаточно крупных, понижающих прочность больших образцов по сравнению с более мелкими образцами.

В целом по полученным в результате эксперимента результатам можно сделать вывод о том, что при ведении горных работ на больших глубинах в увеличенную зону влияния будет попадать большее количество структурных неоднородностей различного порядка. Вследствие чего, геомеханические процессы, протекающие в этом массиве, будут существенно отличаться от аналогичных процессов при ведении горных работ на малых глубинах, когда в зону их влияния попадает меньшее количество структурных неоднородностей, т.е. массив более целостный. По этому, для увеличения достоверности прогноза развития геомеханических процессов при освоении недр необходимо учитывать блочное строение массива, в том числе и при проведении лабораторных испытаний на образцах.

При определении механических характеристик горных пород оба метода показали, что наименее точно определяется сцепление, причем по методу обрушения призм были получены низкие его значения (почти в 24 раза меньше по сравнению с величинами, полученными в лабораторных условиях). Это указывает на то, что данный метод в большей степени начинает учитывать раздробленность массива трещинами.

Необходимо отметить, что при определении физико-механических свойств лабораторным методом значение сцепления в массиве горных пород согласно [4-6,8] принимается для расчетов исправленным, с учетом коэффициента структурного ослабления λ: 

C_{m =} λ ⋅ C₀

где          λ – коэффициент структурного ослабления, отн.ед.;

С_m – сцепление в массиве горных пород, МПа;

С₀ – сцепление по данным лабораторных испытаний, МПа. 

При этом значение λ для прочных горных пород с σ_сж=200÷300 кг/см² (20÷30 МПа) согласно [5-6] и размере элементарного блока порядка 0,13÷0,17 м примерно составляет 0,02. Иными словами, значение коэффициента сцепления, определенное при лабораторных испытаниях, уменьшают в 50 раз, а значение угла внутреннего трения предлагается оставить неизменным.

Все это указывает на то, что в настоящее время все еще нет достаточно объективных методов определения характеристик механических свойств горных пород. Даже дорогостоящий метод обрушения призм не может дать полностью объективную информацию. Например, в одном из испытаний авторам не удалось разрушить призму, так как домкратом была выдавлена налегающая толща горных пород, что указывает на наличие ослабленных зон в массиве, учет которых в настоящее время достаточно сложен (рис. 5).

Рис. 5. Разрушение налегающего массива при испытаниях методом разрушения призм

Выводы

1.                  На примере месторождения Хара-Шибирь показана проблематичность определения параметров прочности скальных горных пород в массиве, имеющем поверхности ослабления и системы разнонаправленных трещин.

2.                  Полевые методы, например обрушения призм в массиве, тоже не позволяют учесть масштабный фактор в полном объеме и могут вносить в рассматриваемых условиях неопределенность в оценку прочности пород. Об этом свидетельствуют деформации налегающего массива, служащего упором для гидродомкрата, установленного на выделенной в массиве призме.

3.                  Среди причин сложившегося положения следует назвать и недостаточно полное инженерно-геологическое исследование массивов, имеющих тектоническую раздробленность, слоистость и трещиноватость. Особое значение приобретает выявление закономерностей развития сетей крупных трещин в массиве и их направленность, которые, в свою очередь, могут указать на положение ослабленных зон.

4.                  Такой прочностной параметр, как сцепление, определяется с очень низкой точностью даже с использованием метода обрушения призм, а введение коэффициента структурного ослабления λ, определяемого по среднему размеру элементарного блока массива, является, по существу, «страховочным» коэффициентом. Так как размеры элементарных блоков в массиве имеют тоже значительный разброс, согласно квадратичным правилам сложения погрешностей общая ошибка определения величины сцепления, используемого в окончательных расчетах, еще больше увеличивается.

5.                  Подводя итог, можно отметить, что для увеличения достоверности прогноза развития геомеханических процессов при освоении недр необходимо учитывать блочное строение массива, в том числе и при проведении лабораторных испытаний на образцах.

Список литературы

1.      Бабелло В.А., Смолич С.В. К вопросу определения характеристик прочности пород методом вертикального обрушения призм // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск «Забайкалье». М.: Мир горной книги, 2007. № ОВ4. С. 331–343.

2.      ГОСТ 24941-81. Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами. М.: Госстандарт СССР, 1982 (по сост. на 18.05.2011 г.). 16 с.

3.      Индикатор механических свойств «ВИКИНГ»: руководство по эксплуатации. С-Пб.: ООО «ЭНЭКОПРОМ», 2012.

4.      Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб.: ВНИМИ, 1998, 208 с.

5.      Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1971, 188 с.

6.      Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. – Л.: ВНИМИ, 1972, 165 с.

7.      Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965. 378 с.

8.      Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли/ РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. академика К.Н. Трубецкого. – М.: Издательство Академика горных наук, 1997. – 478 с.

9.      Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика. Москва, издательство МГТУ, 2005. 437 с.