» » Полевые методы определения свойств горных пород

Полевые методы определения свойств горных пород

Основными методами натурных наблюдений за состоянием горных выработок и прежде всего деформаций бортовых массивов являются маркшейдерские методы. Наиболее распространены инструментальные наблюдения за смещением реперов, заложенных по профильным линиям. Периодичность наблюдений и точность замеров определяются в зависимости от скорости и величины смещения.
Цель натурных исследований — определение прочностных и деформативных характеристик пород.
Сопротивление сдвигу горных пород в натурных условиях определяется различными методами, например, срезом целиков пород в шурфах посредством установки конструкции «Фундамент-проекта», срезом больших призм по методике ВНИМИ, срезом монолитов в приборах конструкции ДИИТ и др. Во всех случаях к выбранному для эксперимента объему пород ненарушенной структуры прикладываются вертикальная и горизонтальная нагрузки, В процессе испытаний фиксируют деформации целика или монолита. Породная призма оконтуривается таким образом, чтобы она сохранила связь с массивом лишь по той поверхности, по которой необходимо определить характеристики сопротивления сдвигу. К этой поверхности прикладываются нормальные и касательные силы, создаваемые гидравлическим домкратом или плоскими гидравлическими подушками. Положение плоскости среза относительно поверхностей ослабления в целике (слабого прослоя, поверхностей контакта, трещин и т. п.) определяется положением плоскости гидроподушки или основания гидродомкрата.
Давление Р, передаваемое на плоскость среза, определяется по формуле:

где D — давление жидкости в домкрате при срезе;
S — рабочая площадь цилиндра домкрата;
t — коэффициент передачи давления, определяемый при тарировке домкрата;
AP — поправка за счет массы призмы и домкрата.
Сцепление по плоскости среза призмы определяется по формуле

где F — площадь среза;
a — угол между плоскостью гидроподушки или гидродомкрата и плоскостью среза;
ф — угол внутреннего трения породы по плоскости среза (определяется но данным лабораторных испытаний).
В изложенной схеме расчета сцепления совмещаются результаты натурных и лабораторных испытаний. В ГИГХСе разработана методика статистической обработки результатов серий натурных испытаний, позволяющая непосредственно получать значения сцепления и угла внутреннего трения в массиве. Значения сцепления и угла внутреннего трения в массиве можно получать также при обработке результатов серии (не менее трех) испытаний с различными значениями а, построив график зависимости сдвигающих усилий от величин нормального давления.
Величину несущей способности и модуль деформации в натурных условиях определяют различными методами. Одним из наиболее распространенных является метод пробных нагрузок, заключающийся в том, что жесткий штамп круглой или квадратной формы загружают возрастающими нагрузками (прикладываемыми ступенями или одной нагрузкой), соответствующими массе сооружения или оборудования, и измеряют его осадку. Критическую точку графика деформаций от нагрузки определяют как точку перегиба кривой, отделяющую начальный участок графика, для которого зависимость между осадками и нагрузками может быть принята линейной, от участка графика, где эта зависимость криволинейная. Для линейного участка графика зависимость S = f(g) принимает вид

где S — осадка штампа;
g — нагрузка на штамп;
g0 — начальное давление уплотнения, соответствующее величине структурной прочности породы;
с — коэффициент пропорциональности, равный ctg а.
Нагрузка, передаваемая на породу, должна быть такой, чтобы порода находилась в устойчивом состоянии, т. е. деформирование за данной ступенью нагрузки происходило с затуханием. Поэтому нагрузка, соответствующая критической точке графика, является критической. Эта нагрузка и определяет несущую способность породы. Для линейного участка деформации вычисление модуля деформации может производиться по формуле Буссинеска:

где E — модуль деформации;
Q — полная нагрузка на штамп, соответствующая критической;
d — диаметр штампа (если используется квадратный штамп, то определяется диаметр равновеликого по площади круга);
S — конечная осадка, отвечающая нагрузке Q;
u — коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона), принимаемый для песков и супесей 0,3 для суглинков 0,35, для глин 0,42.
Крыльчатое зондирование применяется для определения общего сопротивления сдвигу песчано-глинистых (связных) пород. Испытания заключаются в срезе пород вращением вокруг продольной оси четырехлопастного наконечника, вдавленного в забой скважины. Срез породы происходит по цилиндрической поверхности. Во время испытания замеряется крутящий момент. Общее сопротивление сдвигу при полном заглублении лопастей определяется но формуле

где M — максимальный крутящий момент;
d — диаметр крыльчатки;
h — высота лопасти.
В настоящее время разработаны крыльчатые зонды, конструкция которых позволяет создавать различные нормальные давления поверхности среза. Поэтому проведя два испытания в смежных точках в пределах одного слоя пород, можно получить показатели сопротивления сдвигу, решив систему уравнений

Для экспрессного и массового определения общего сопротивления сдвигу слабых (иловатых) глинистых пород или отвальных пород (т. е. пород с нарушенной структурой) успешно используется переносной крыльчатый зонд конструкции Л.П. Загоруйко, отличающийся компактностью, малой массой, оснащенностью самописцами для фиксации диаграмм усилий внедрения и крутящего момента.
Идея определения деформативных характеристик песчано-глинистых пород посредством камеры бокового давления, помещаемой в скважину, была высказана А.А. Ктаторовым в 1930 г. Развитие идеи привело к разработке в 1952 г. Луи Менаром установки для механических испытаний горных пород в скважине — прессиометру. Прибор основан на принципе измерения радиальных деформаций расширяющейся упругой камеры, помещаемой в скважину. Испытания прессиометром относятся к быстрым испытаниям недренированной породы. Модуль деформации породы определяется по формуле

где k — показатель, зависящий от параметров установки и коэффициента бокового расширения породы;
AP — изменение давления в камере;
Ar — изменение радиальных деформаций рабочей камеры или по известной формуле Лямэ:

где u — коэффициент Пуассона;
е — величина абсолютной деформации упругого цилиндра;
P давление в распирающемся цилиндре;
а — начальный радиус упругого распирающегося цилиндра (скважины).
Для получения величины сцепления можно воспользоваться приближенной формулой, вытекающей из уравнения Прандтля—Рейсса

при условии, что P/c — 1 мало.
Натурные замеры порового давления в водонасыщенных глинистых породах позволяют оценить изменения прочности и уточнить условия работы этих пород под нагрузкой. В отечественной практике применяются пьезодинамометры, в которых использован метод измерения мелких деформаций, разработанный П.П. Давиденковым, заключающийся в преобразовании механических колебаний струны в электрические. Приборы для измерения порового давления конструкции Гидропроекта состоят из собственно пьезодинамометров, помещаемых или задавливаемых в породную толщу, и измерительной аппаратуры, находящейся на поверхности. Регистрирующее устройство и датчики связаны между собой электропроводами. Пьезодинамометры выпускаются для давления от 3 до 100*10в5 Н/м2. He искажая картину порового давления в области заложения в силу небольших размеров, пьезодинамометры могут надежно работать в водонасыщенных породах в течение нескольких десятилетий.
Под зондированием понимают метод исследования связных пород посредством вдавливания в них статической нагрузкой или задавливания под действием динамической нагрузки конического наконечника. Метод зондирования позволяет получить характеристику о состоянии пород по всему разрезу исследуемой толщи и изменениях их прочности. Об этих изменениях судят по числу ударов для заглубления зонда на стандартную величину (чаще всего на 10 см) или по усилию, необходимому для внедрения зонда в породу.
В последние годы благодаря разработке аппаратуры и методики исследований в практике натурных инженерно-геологических изысканий для оценки водно-физических свойств и состояния пород в массиве стали широко использоваться геофизические методы, в том числе радиоактивные, сейсмо-акустические, электрические и др.
Весьма перспективным является изучение водно-физических свойств песчано-глинистых пород в массиве методами, основанными на использовании радиоактивных изотопов и радиоактивного излучения. Радиоактивные методы применяются для литологического расчленения разреза (гамма-каротаж), определения объемной массы пород (гамма-гамма каротаж), их влажности, уровня подземных вод (нейтрон-нейтронный каротаж), качественной оценки химического и минерального состава (нейтронный гамма-каротаж). Физической основой метода гамма-каротажа является наличие естественной радиоактивности пород, слагающих исследуемую толщу. Плотностной гамма-каротаж основывается на зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от объемной массы (плотности) породы. Метод нейтрон-нейтронного каротажа основан на использовании функциональной зависимости между регистрируемым потоком нейтронного излучения и влажностью рассеивающей среды. При нейтронном гамма-каротаже происходит неупругое взаимодействие испускаемых нейтронным источником быстрых нейтронов и захват замедлившихся нейтронов ядрами элементов породы, что приводит к возникновению радиационного гамма-излучения:
Сейсмоакустические методы основаны на изучении путей и скоростей распространения упругих волн в толще горных пород и позволяют установить литологические разности пород массива, их состояние (трещиноватость, выветрелость), оценить их прочностные свойства. На основе данных сейсмоакустической разведки определяется возможность картирования карьерных полей по крепости и трещиноватости для оценки взрываемости и рыхлимости массивов.
Звукометрические исследования с применением звуковых пьезометров (геофонов), способных улавливать звуки, генерируемые горными пародами в процессе разрушения, позволяют установить нарастание или убывание начавшегося процесса разрушения бортового массива в скрытой фазе и выделить области, опасные в отношении деформации.
Применение электрических методов основано на наличии определенных зависимостей между параметрами электрических полей и электрическими свойствами пород, обусловленными их литологическим составом, влажностью, текстурно-структурными особенностями и другими характеристиками. В связи с тем, что удельное сопротивление пород зависит от плотности и влажности, дистанционно действующие электрические системы применяются также для наблюдения за напряженно-деформативным состоянием бортового массива. Методика оценки состояния бортового массива электрическими методами была разработана и опробована в натурных условиях институтом ВИОГЕМ.
Следует отметить, что геофизические методы исследований не заменяют инженерно-геологических и могут применяться только в комплексе с ними, что способствует более быстрому, глубокому и эффективному проведению инженерно-геологической съемки и разведки, а также контроля состояния пород в окрестностях горных выработок.
К группе полевых методов инженерно-геологических исследований следует отнести и метод обратных расчетов для уточнения характеристик прочности горных пород в массиве борта карьера или откоса отвала. Для этого составляется паспорт оползня на основании маркшейдерских съемок, где указываются первоначальные (до начала деформации) параметры откоса, положение и конфигурация оползневого клина, фиксируется поверхность скольжения, описываются породы, слагающие откос. Показатели сопротивления сдвигу определяются из условия предельного равновесия оползневого клина до начала деформаций и на момент их завершения

где Ti — сдвигающие силы;
Ni — нормальная составляющая массы блока к поверхности скольжения;
с — сцепление;
tg ф — коэффициент трения;
l — длина поверхности скольжения.
Для обратных расчетов могут использоваться и искусственно вызванные оползни на опытных участках откосов.

title-icon Подобные новости