Общие указания по определению прочностных свойств горных пород

Основные прочностные характеристики, используемые для решения вопросов устойчивости и сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: предел прочности на одноосное сжатие sсж; предел прочности на растяжение sр; коэффициенты сцепления в куске K к и в маcсиве K м; угол внутреннего трения r; угол трения по поверхностям ослабления rм.

Предел прочности на одноосное сжатие sсж широко используют в расчетах устойчивости, несущей способности горных пород в целиках и подготовительных выработках, а при корреляции с пределом прочности на растяжение s р он может быть успешно применен и для оценки предельных пролетов обнажений. При прогнозировании характера и параметров процесса сдвижения один из классификационных признаков - коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову

f = sсж/10.

Для получения необходимых прочностных характеристик пород проводят испытания в лабораторных и природных условиях. Лабораторные испытания прочностных свойств пород проводят специализированные лаборатории на образцах, изготовленных из отобранных проб. В этом случае необходимо обеспечить требуемое число проб для каждого вида и метода испытаний в соответствии с существующими ГОСТами для получения наиболее представительных прочностных характеристик пород.

Отбор проб для лабораторных испытаний проводят непосредственно в горных выработках. Поскольку рудные месторождения, как правило, характеризуются сложным геологическим строением с частой сменой различных пород, расстояния между пунктами отбора проб изменяются от 200 до 25 м. Число проб определяется числом литологических (наиболее типичных) пород. При этом размеры монолитов или кернов каждой породы и их число должны обеспечивать изготовление необходимого числа образцов для каждого вида испытаний. Особое внимание следует уделять сохранности и целостности отобранных проб как при их отборе, так и при транспортировке и хранении. Извлекать пробы-монолиты из массива нужно таким образом, чтобы не нарушить естественного сложения породы. Не рекомендуется выбивать керны из колонковой трубы, подвешенной (удерживаемой) на 0,2 м от почвы выработки. Отобранные пробы упаковывают в ящики для отправки к месту испытания. Ящики с пробами не разрешается бросать, кантовать и оставлять под дождем или на морозе. Пробы пород, присылаемые на испытание, должны быть снабжены сопроводительной документацией, которая позволит установить место и время извлечения каждой породы, название породы и нужный вид испытаний.

Лабораторные исследования. Основные виды механических испытаний проб горных пород, которые проводит лаборатория механических испытаний ВНИМИ, приведены в табл. III. В ней даны способы испытаний, названия прочностных характеристик и минимальные размеры проб, необходимые для проведения этих испытаний. Предел прочности при сжатии определяют методами соосных пуансонов, одноосного сжатия высоких цилиндров или образцов полуправильной формы (с подшлифовкой торцов). Приближенно по результатам раскалывания сферическими инденторами образцов неправильной формы определяют предел прочности при сжатии и при растяжении. Во втором случае также используют раскалывание лежачих цилиндрических образцов вдоль образующей.

Таблица III

Вид испытания	Способ испытания	Группа пород	Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову	Прочностные характеристики	Число образцов для испытаний одной пробы	Размеры одного образца для испытания, мм	Минимальные размеры присылаемых проб
Керн буровой скважины, мм	Монолит, мм
один кусок	общие размеры
Предел прочности	Метод соосных пуансонов	Крепкие	> 8	sсж	6 - 8	d 0 = d к	d к ³ 42	d к ³42	250´200´200
Средней крепости	5 - 8	4 - 6	h 0 = 11 - 12	l к = 150	L к = 300
Сжатие высоких цилиндров	Крепкие	> 8	sсж	6 - 10	d 0 = d к	d к ³ 42	d к ³ 42	300´300´200
Средней крепости	5 - 8	h 0 = (1,5 - 2,0) d 0	l к = 150	L к > 10 d к
Испытание образцов неправильной формы	Крепкие	> 8	sсж, sр	6 - 10	80´80´80	-	-	250´200´200
Средней крепости	5 - 8
Трение и сцепление	Косой срез в матрице	Крепкие	> 8	r, K к	6 - 15	-	d к ³ 70	d к ³ 70	300´300´200
Средней крепости	5 - 8	l к ³ 150	L к = 1000

Примечание. sсж - предел прочности на одноосное сжатие, МПа, sр - предел прочности на одноосное растяжение, МПа, r - угол внутреннего трения, градус, K к - коэффициент сцепления, МПа, L к - общая длина кусков кернов одной пробы, du - диаметр образца для испытания, d к - диаметр керна, h 0 - высота образца для испытания, l к - длина одного куска керна.

Коэффициент сцепления в образце и угол внутреннего трения определяют методами косого среза под углом 30, 45 и 60° или трехосного сжатия в стабилометрах с построением паспорта прочности [18]. Приближенно коэффициент сцепления и угол внутреннего трения определяют по соотношению предела прочности при сжатии и растяжении. При определении величин углов внутреннего трения в массиве пород следует исходить из того, что угол внутреннего трения в массиве по поверхностям, пересекающим слои и не совпадающим со сплошными трещинами, можно принимать равным углу внутреннего трения, полученному для данной породы по лабораторным испытаниям на срез образцов пород. Угол внутреннего трения по контактам слоев следует принимать равным углу трения, полученному по лабораторным испытаниям на трение по этим поверхностям. Угол внутреннего трения по поверхностям, совпадающим с трещинами, принимают средним между углом трения по поверхностям контактов слоев на сдвиг и углом внутреннего трения, полученным по лабораторным испытаниям образцов на срез.

Лабораторные испытания позволяют получить прочностные свойства не массива в целом, а только сравнительно крепких кусков пород. Для перехода к прочностным характеристикам всего массива используют коэффициент структурного ослабления l1, под которым понимают величину, равную отношению прочности пород в массиве к средней прочности породы в образце.

Натурные исследования проводят для получения прочностных свойств массива с учетом структуры анизотропных пород. При решении вопросов сдвижения и устойчивости пород на рудных месторождениях такими испытаниями определяют коэффициенты сцепления пород в массиве K м и структурного ослабления l.

Проведение натурных испытаний - процесс трудоемкий, особенно в подземных горных выработках. Имеющиеся немногочисленные данные о сцеплении в массиве, полученные на рудных месторождениях в подземных горных выработках [18], показывают, что величина сцепления и значения коэффициента структурного ослабления мало отличаются от полученных на карьерах. Поэтому при расчетах устойчивости и сдвижения пород, прогнозировании вопросов сдвижения на месторождениях с неизученным процессом сдвижения горных пород для получения величин сцепления в массиве используют существующие эмпирические зависимости. Приведем некоторые наиболее распространенные формулы для определения коэффициента сцепления в массиве. Исходные данные, используемые в этих формулах, получают по результатам натурных или лабораторных испытаний:

K м = (0,02 - 0,06) K к;

где а - коэффициент, зависящий от прочности пород в куске, степени и характера трещиноватости (определяют по табл. IV); W - интенсивность трещиноватости (см. прил. 4); b = sin2a + xcos2a; (здесь x - коэффициент бокового распора).

Таблица IV

Характеристика пород и их трещиноватости	Величина сцепления в куске K к, МПа	Коэффициент а	Коэффициент структурного ослабления l при Н 1 ³ 100 мм
Средней крепости, слоистые, преимущественно нормальносекущей трещиноватости	10 - 15		0,051 - 0,061
Крепкие, слоистые, преимущественно нормальносекущей трещиноватости	16 - 30		0,031 - 0,038
Крепкие, изверженные с развитой кососекущей трещиноватостью			0,016 - 0,019

Величина углов rм зависит от характера поверхности ослабления. Лабораторными испытаниями установлено, что почти для всех пород с ровной гладкой поверхностью ослабления rм = 18 - 25°, с неровной гладкой поверхностью ослабления - 23 - 30°, для ровной поверхности с зеркалами скольжения - 12 - 15°, а для неровной - 18 - 23°. Для ровной и неровной шероховатой поверхностей ослабления углы трения по поверхностям ослабления близки к углам внутреннего трения rк. Значения средних углов внутреннего трения горных пород, вмещающих рудные месторождения (по данным испытаний ВНИМИ), приведены в табл. V.

Таблица V

Породы	Угол внутреннего трения, градус	Генезис пород
Гранодиорит, диорит, габбро, пироксенит, кварцевый порфир		Магматические
Сиенит, кератофир	30 - 32
Кварцит, гнейс, серпентинит	31 - 36	Метаморфические
Метаморфические сланцы	27 - 33
Песчаники	27 - 38	Осадочные
Алевролиты	25 - 35
Аргиллиты	20 - 26
Известняки мраморизованные	34 - 38

Экспресс-методы используют в полевых условиях для приближенного определения прочностных свойств пород непосредственно на месте отбора проб. Они позволяют с наименьшими затратами получить необходимые прочностные характеристики. Например, для определения крепости пород на рудных месторождениях в полевых условиях применяют специальный прибор - пробник БУ-39. Прибор позволяет на образцах неправильной произвольной формы с размерами испытываемых образцов, не превышающими 80´80´100 мм, определять прочность пород на растяжение и на сжатие. Принцип работы, правила эксплуатации, методика испытаний и обработка результатов изложены в Инструкции [6].

Из геофизических методов исследования наиболее известен и распространен ультразвуковой, с помощью которого косвенно определяют показатели прочности и упругости по скорости распространения упругих волн или затухания амплитуды их колебания в горных породах [17].