На главную
На главную

СН 484-76 «Инструкция по инженерным изысканиям в горных выработках, предназначаемых для размещения объектов народного хозяйства»

Инструкция предназначена для изыскательских, проектно-изыскательских и строительно-монтажных организаций, занимающихся размещением в горных выработках объектов народного хозяйства, а также для научно-исследовательских организаций, вузов и техникумов строительного и шахтостроительного профиля.

Обозначение: СН 484-76
Название рус.: Инструкция по инженерным изысканиям в горных выработках, предназначаемых для размещения объектов народного хозяйства
Статус: действующий (Внесены ПНИИИС Госстроя СССР и ВНИМИ Минуглепрома СССР)
Дата актуализации текста: 17.06.2011
Дата добавления в базу: 17.06.2011
Дата введения в действие: 01.01.1977
Разработан: ПНИИИС Госстроя СССР 105058, г. Москва, Окружной пр., 18
ВНИМИ Минуглепрома СССР
Утвержден: Госстрой СССР (10.05.1976)
Опубликован: Стройиздат № 1977

ГОСУДАРСТВЕННЫЙКОМИТЕТ СОВЕТ МИНИСТРОВ СССР ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА (ГОССТРОЙ СССР)

ИНСТРУКЦИЯ

ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ

В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ, ПРЕДНАЗНАЧАЕМЫХ ДЛЯ

РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

СН 484-76

Утверждена

постановлением Государственного комитета

Совета Министров СССР

по делам строительства

от 10 мая 1976 г. № 66

Москва стройиздат 1977

СОДЕРЖАНИЕ

«Инструкция по инженерным изысканиям в горныхвыработках, предназначаемых для размещения объектов народного хозяйства»разработана Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной геомеханики имаркшейдерского дела (ВНИМИ) Минуглепрома СССР, и Производственным инаучно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве(ПНИИИС) Госстроя СССР, в дополнение к ней разработано указанными институтами «Руководствопо методике исследования физико-механических свойств и напряженного состояниягорных пород при инженерных изысканиях в горных выработках, предназначаемых дляразмещения объектов народного хозяйства», которое помещено после Инструкции.

Инструкция предназначена для изыскательских,проектно-изыскательских и строительно-монтажных организаций, занимающихсяразмещением в горных выработках объектов народного хозяйства, а также длянаучно-исследовательских организаций, вузов и техникумов строительного ишахтостроительного профиля.

Редакторы - инж. А.П.Старицын (Госстрой СССР), канд. техн. наук В.В. Райский (ВНИМИ МинуглепромаСССР) и канд. геолмин. наук М.И. Погребиский (ПНИИИС Госстроя СССР)

Государственный комитет

Строительные нормы

СН 484-76

Совета Министров СССР по делам строительства (Госстрой СССР)

Инструкция по инженерным изысканиям в горных выработках, предназначаемых для размещения объектов народного хозяйства

-

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.Требования настоящей Инструкции необходимо выполнять при проведении инженерныхизысканий в горных выработках, предназначаемых для размещения объектовнародного хозяйства.

1.2. При проведении инженерных изысканийследует выполнять требования главы СНиП по инженерным изысканиям длястроительства, нормативных документов по проектированию сооружений, размещаемыхв горных выработках, а также норм, правил и государственных стандартов поинженерным изысканиям, утвержденных или согласованных Госстроем СССР, и правилбезопасности для подземного и шахтного строительства и соответствующихгорнодобывающих предприятий.

1.3. Инженерные изыскания надлежит выполнять,как правило, в два периода:

в подготовительный -сбор и оценка данных геологической, гидрогеологической и горнотехническойдокументации;

в основной - специальные инженерные изыскания, на основерезультатов которых, выполняется проектирование конкретных объектов.

Внесены

ПНИИИС Госстроя СССР и ВНИМИ Минуглепрома СССР

Утверждены постановлением Государственного комитета Совета Министров СССР по делам строительства от 10 мая 1976 г. № 66

Срок введения в действие 1 января 1977 г.

Специальные инженерные изыскания не следуетвыполнять, если в подготовительный период уже имеется полный комплекс исходныхданных, необходимых для проектирования объектов.

Специальныеинженерные изыскания надлежит выполнять при одном из следующих условий:

а)наличии камер с незакрепленной кровлей;

б)отсутствии геологической, гидрогеологической или маркшейдерской документации;

в)размещении в горных выработках объектов с длительным сроком эксплуатации.

1.4.Инженерные изыскания следует выполнять по программе (проекту), в которой должныбыть предусмотрены необходимые состав и объем исследований, определяемые взависимости от геологических, гидрогеологических и горнотехнических условийгорных выработок и характеристик размещаемых в них объектов.

2. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙПЕРИОД

2.1.В подготовительный период должны быть выполнены следующие работы:

а)изучение геологической и горнотехнической документации;

б)изучение гидрогеологических условий;

в)визуальное обследование состояния горных выработок.

2.2. На основании изучения материаловгеологической и горнотехнической документации, полученных в процессепроектирования, строительства и эксплуатации горных выработок, должны бытьопределены следующие показатели:

глубинарасположения рекомендуемых к использованию выработок;

характерзалегания пород и угол их падения;

литологическийсостав пород и мощность отдельных слоев;

данныео трещиноватости пород (число, интенсивность и пространственная ориентировкаосновных систем трещин);

данныео физико-механических свойствах пород (пределы прочности на одноосное сжатие ирастяжение в образце при естественной влажности и в водо-насыщенном состоянии,объемный вес);

паспортныеданные подходных и рекомендуемых к использованию выработок (форма сечения,геометрические размеры выработок, целиков, тип и плотность крепи);

мощностьнижнего несущего слоя и скального слоя потолочины;

расположениевыработок и целиков по отношению к напластованию пород и главенствующей системетрещин.

2.3. На основании изучения маркшейдерскойдокументации должны быть установлены:

геометрическиехарактеристики рекомендуемых к использованию выработок- форма сечения, ширина, высота и длинавыработки (камеры), ширина просечки между целиками;

геометрическиехарактеристики подходных выработок (от стволов до рекомендуемых к использованиювыработок) - размеры прямых участков,поворотов, сужений и расширений выработок; углы наклона выработок;

ширинаотработанного участка или длина поля;

число и площадь поперечного сечения межстолбовыхцеликов;

размерплощади кровли, приходящейся на рассматриваемый целик;

размерыцеликов (высота, ширина, длина) и их форма.

2.4. При отсутствии планов горных выработок,их профилей и разрезов надлежит выполнятьмаркшейдерскую съемку горных выработок в соответствии с требованиямиТехнической инструкции по производству маркшейдерских работ.

Врезультате съемки необходимо составить маркшейдерскую документацию: план илипроекцию горных выработок, продольные и поперечные разрезы. Масштаб графическойдокументации следует устанавливать исходя изтребований к проектированию объекта и Технической инструкции по производствумаркшейдерских работ.

2.5. На основании анализа маркшейдерскойдокументации необходимо составить детальные разрезы по каждой выработке(подходной выработке, очистной камере, межкамерному целику и т. д.) снанесением на них данных, характеризующих геологические условия.

Геологическуюдокументацию горных выработок следует выполнять на разрезах в масштабе 1:200.

2.6. На основании изучения геологической,гидрогеологической и инженерно-геологической документации, должны бытьустановлены гидрогеологические условия горных выработок (наличие и величиныводопритоков). При размещении горных выработок в соленосных породах должны бытьопределены коэффициент фильтрации водоносных горизонтов, скорость фильтрации,пьезометрический напор.

2.7. В результате визуального обследованиянеобходимо установить:

соответствиеданных геологической и маркшейдерской документации фактическому состояниюгорных выработок;

состави состояние пород по контуру сечения подземных выработок, склонность пород кпучению, отслаиванию в стенках и кровле выработки;

фактическоесостояние межкамерных целиков, склонность пород, слагающих целик, к отслаиваниюи пластическому выдавливанию;

наличиеконтактов между целиком и потолочиной и характер сцепления пород, слагающихцелик и потолочину;

фактическоесостояние крепи, наличие трещин в бетонной и железобетонной крепи, наличиеизгиба элементов металлической крепи или деформации штанговой крепи и т. д.

2.8. На основе анализа данных геологических,гидрогеологических и инженерно-геологических условий и результатов визуальногообследования состояния горных выработок должно быть составлено заключение оцелесообразности выполнения специальных инженерно-геологических работ и ихобъеме.

3. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ ВОСНОВНОЙ ПЕРИОД

3.1.В состав специальных инженерных изысканий должны входить в необходимых объемахследующие виды натурных и лабораторных исследований:

изучениеаэрологических характеристик горных выработок;

бурениескважин и отбор образцов горных пород;

изучениеструктурных свойств горных пород;

изучениефизических свойств горных пород;

изучениемеханических свойств горных пород;

изучениенапряженного состояния горных пород;

изучениегидрогеологических условий участка.

3.2. При изучении, аэрологических свойствгорных выработок должны быть определены аэродинамическое сопротивление горныхвыработок, температура и относительная влажность воздуха в выработках, запыленностьвоздуха и интенсивность выделения рудничных газов.

3.3. Бурение скважин и отбор образцов горныхпород следует производить для изучения физико-механических свойств горныхпород, их трещиноватости, слоистости и расслаиваемости, напряженного состояния,а также для определения скорости распространения упругих волн.

Общеечисло скважин, точки их заложения, направление, глубина, диаметр и режимпроходки должны быть определены проектом исходя из назначения выработок,условий залегания пород и их литолого-структурных особенностей.

Накаждом участке горных выработок должно быть не менее двух кустов скважин (по 4 скважины в каждом кусте), а в каждой рекомендуемой к использованиюнезакрепленной камерной выработке в точках, предусмотренных для отбора образцовпород, не менее одного куста.

Дляопределения физико-механических свойств горных пород при бурении скважиннеобходимо обеспечить максимальный (близкий к 100%)выход керна, а также сохранение естественной влажности и сложения образцовпород.

3.4. Отбор, упаковку, транспортирование ихранение образцов горных пород следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 12071 -72 и ГОСТ 21153.0 -75.

Образцыпород необходимо отбирать из каждой литологической разности. Длина образцовдолжна быть не менее 200 мм. Диаметркерна для скальных пород должен быть 40 - 50мм, для полускальных 40-100 мм, а длясоленосных - не менее80 мм.

3.5. При изучении структурных свойств горныхпород следует определять параметры их трещиноватости, расслаиваемости ислоистости, а также пористость.

3.6. При изучении слоистости ирасслаиваемости пород необходимо выполнять следующие требования:

а)исследования должны нестись не менее чем в двух скважинах;

б) разрезы по этим скважинам следует выполнять имасштабе 1:50. На разрезахнеобходимо фиксировать геолого-петрографические типы ослаблении контактов.Расстояния между ослабленными контактами, превышающие0,1 м, на разрезах, следует показывать в масштабе; расстояния менее 0,1 м принимать условно равными 0,1 м, обязательно указываягеолого-петрографические типы контактов;

в) для оценки контактов слоев в условиях горныхвыработок необходимо определять прочность ослабленных контактов на разрыв внаправлении, перпендикулярном к контактам, удельное сцепление и уголвнутреннего трения на контакте. Одновременно необходимо определять пределыпрочности пород при сжатии, а в лабораторных условиях- модуль упругости, коэффициент поперечной деформации и полные кривыедеформации от начала нагружения до разрушения. Пределы прочности при сжатииследует определять для всех слоев пород, а деформационные характеристики - для каждой петрографической разновидности;

г) при изучении расслаиваемости пород по кернунеобходимо оценивать геолого-петрографические факторы, ослабившие поверхностьразрушения керна, характер разрушения поверхности, длину обломков керна,показатели трещиноватости пород, элементы залегания косой слоистости.

Результатыописаний пород и поверхности разрушения керна при бурении и специальныхиспытаниях необходимо заносить в форму, содержащую сведения о наименованиипород, глубине отбора проб, угле падения пород, характеристики торцовыхповерхностей керна при разрушении и поверхности раскалывания, а также сведенияо пределах прочности на сжатие и на разрыв в направлении, параллельном иперпендикулярном к слоистости, модуле упругости, коэффициенте Пуассона, объемномвесе, влажности и пористости,

3.7. При изучении трещиноватости горных породнеобходимо определять следующие параметры трещин:

числосистем трещин;

расстояниемежду трещинами в системах;

взаимнуюориентировку систем трещин (азимут и угол падения);

длину,ширину и  форму поверхности стенок трещин.

Приизучении трещиноватости в обнажениях горных пород и по керну следует тщательноописать морфологию поверхностей ослабления и характеристику заполняющего материала.В документации обнажений горных пород должны быть отражены форма и размерыслагающих массив блоков. Блочность и трещинную пустотность пород необходимооценивать по соответствующей методике.

3.8. Пористостьпород, следует, принимать в процентах по отношению разности их удельного иобъемного весов к удельному весу. Удельный вес горных пород необходимоопределять по ГОСТ 5181-64, а объемныйвес - по ГОСТ 5182-64.

3.9.При изучении физических свойств горных пород должны быть определены: объемный вес,естественная влажность, тепловые свойства, показатели проницаемости жидкости и газов через горные породы, коэффициент газопроницаемости.

3.10. При изучениитепловых свойств горных пород следует определить их температуру, коэффициенттеплопроводности, удельную теплоемкость и коэффициент температуропроводности.Температуру горных пород необходимо определять в натурныхусловиях термодатчиками. Удельную теплоемкость горных пород следует определятьв лабораторных условиях на образцах по методу смещения или методумикрокалориметра регулярного теплового режима, коэффициент температуропроводности - по первомуметоду, а коэффициент теплопроводности - по второму.

3.11.Показатели проницаемости газов через горные породы и коэффициент газопроницаемости следует определять в натурных условиях по щелевому методу путем нагнетания газа, а показатели проницаемости жидкостей через горные породы - по методу нагнетания (в сухих и обводненных породах) или по методу откачки (в водоносных породах).

3.12. При изучении механических свойств горных пород в натурных условиях должны быть определены пределы прочности пород в массиве при сжатии и изгибе и скорости распространения упругих и упругопластических волн; в лабораторных условиях пределы прочности при одноосном сжатии и одноосном растяжении, предел длительной прочности при объемном сжатии, удельное сцепление, угол внутреннего трения, модуль упругости, коэффициент Пуассона, упругая деформация образца при нагрузке, достигающей 80% разрушающей, величина предельной деформации ползучести в зависимости от приложенных нагрузок, время до разрушения.

3.13. Предел прочности скальных и полускальных породв массиве на сжатие и изгиб следует определять соответственно путемраздавливания или изгиба продольной призмы в натурных условиях.

Пределпрочности при одноосном сжатии и одноосном растяжении следует определятьсоответственно по ГОСТ 21153.2-75 и ГОСТ 21153.3 -75 или в необходимых случаях по соответствующим методикам.

3.14.Удельное сцепление и угол внутреннего трения следует определять с помощьюстабилометров или срезных приборов, а угол внутреннего трения по контактам и прослоям - по методу одноплоскостногосдвига.

3.15. Модуль упругости, коэффициент Пуассона иупругую деформацию образца при нагрузке, достигающей80% разрушающей, следует определять при одноосном сжатии цилиндрическихобразцов и другими способами.

3.16. Величину предельной деформации ползучести взависимости от приложенных нагрузок, время до разрушения образцов пород ипредел длительной прочности при сжатии следует определять на рычажных,пружинных или гидравлических установках.

3.17. Скорость распространения продольных упругих и упругопластических волн в горных породахследует определять лишь для выработок в зонах возможных сильных разрушений.Распределение скорости продольных волн во вмещающих породах необходимоустанавливать непосредственным измерением времени пробега волн в этих породах.В монолитных породах, где отсутствуют крупные нарушения типа зон дробления итрещин, допускается определять скорость распространения продольных волн прииспытании образцов горных пород согласно ГОСТ 21153.7-75. Для определения скоростираспространения колебаний в сейсмическом диапазоне частот (0-300 Гц) следует применять обычныегеофизические методы со стандартной аппаратурой. Определению скоростираспространения продольных волн должно предшествовать изучениепетрографического состава участка исследуемого массива, условий залеганияпород, анизотропии упругости, слоистости, трещиноватости и нарушенности пород.При определении скорости распространения ударной волны в зонеупругопластических деформаций па расстоянии до 20радиусов заряда при взрыве следует регистрировать два вида волн: упругие,движущиеся перед фронтом основной пластической волны, и пластические.

Дляпринятия конечных результатов действия взрыва необходимо определить егопараметры, характеризующие ударную волну.

Скоростьраспространения ударной волны необходимоопределять в диапазоне напряжении на фронте ударной волны, превышающей пределупругих деформаций изучаемых горных пород.

Скоростьраспространения ударной волны следует определять в выработках, расположенных вмассиве пород и подобных выработкам, в которых проектируется размещениеобъекта.

Приотсутствии таких выработок необходимо использовать косвенные методы определенияскорости распространения ударных волн.

3.18. При выборе определенной схемы методаразгрузки необходимо учитывать вид напряженного состояния исследуемого объекта(одноосное, плоское, объемное), направления главных напряжений и геологическиефакторы (трещиноватость пород, анизотропия, хрупкость, прочность и т.д.).

Исследуемый объект следует относить ктому или иному виду напряженного состояния на основании следующих качественныхградаций:

к одноосному напряженному состоянию - среднюю по высоте часть столбчатых целиков сотношением высоты целика к его диаметру (ширине) большим, чем 2-2,5;

к плоскому напряженному состоянию - среднюю по высоте часть ленточных целиков, если высотацелика в 1-2,5 раза больше ширины; массивгорных пород вблизи обнажении на глубинах до0,5-1 м (стенки выработок, целиков);

к объемному напряженному состоянию - все прочие объекты (широкие целики, массив вокругодиночной выработки, нетронутый массив).

Выбор схемы метода разгрузки необходимо производить по следующейтаблице:

Характер напряженного состояния массива

Направление главных напряжений

Горнотехнические объекты

Рекомендуемые схемы метода разгрузки

Число скважин

Объемное

Неизвестно

Нетронутый массив

Метод с центральной скважиной

3

Известно одно или все направления

Нетронутый массив, широкий целик

Методы с центральной скважиной и ВНИМИ

1

 

2

Плоское

Неизвестно

Узкий ленточный целик, стенки выработки

То же

1

Одноосное

Неизвестно

Высокий столбчатый целик

Метод ВНИМИ

1

Переходное

Неизвестно

Зона вокруг одиночной выработки

Метод с центральной скважиной

2

Выборнаправления и порядка бурения скважин, рекомендуемых комплектов оборудования иизмерительной аппаратуры следует производить по соответствующей методике.

3.19.Значения модуля упругости и коэффициента Пуассона необходимо определять на техже кернах и в тех же направлениях, на которых определялись деформацииразгрузки.

3.20. Расстояния по длине скважины между местамиизмерений напряжений следует принимать минимально возможными (0,2-0,5 м). В отдельных случаях эти измерениянеобходимо производить по нескольким близко расположенным (0,5-1 м) параллельным скважинам.

Дляизмерения напряжений в натурных условиях допускается применение приборов типаБП-18 и МГД.

3.21.Гидрогеологические условия участка горных выработок следует изучать согласноВременной инструкции по гидрогеологическому и инженерно-геологическомуобслуживанию горно-эксплуатационных работ на месторождениях твердых полезныхископаемых ВСЕГИНГЕО Министерства геологии СССР.

4. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ И СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Все данные, получаемые при натурных илабораторных наблюдениях и испытаниях, необходимо заносить в первичнуюдокументацию - журнал визуального осмотравыработок, журнал отбора образцов из скважин и горных выработок, журнализучения трещиноватости пород, журнал лабораторных или натурных исследованийфизико-механических свойств пород и т. д.

4.2. При накоплении данных натурных и лабораторныхнаблюдений и испытаний следует производить их анализ и построение графиковдеформаций пород при испытаниях на сжатие и растяжения, диаграмм трещиноватостипород и т. д.

4.3. По результатамизучения геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий долженбыть составлен отчет. Содержание отчета должно соответствовать требованиям кизученности горных выработок, изложенным в разделах 2 и 3.

РУКОВОДСТВО

ПО МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИИНЖЕНЕРНЫХ ИЗЫСКАНИЯХ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ, ПРЕДНАЗНАЧАЕМЫХ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯОБЪЕКТОВ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА1

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ. 6

1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСЛАБЛЕННЫХ КОНТАКТОВ И ПРОСЛОЕВ В ПОРОДАХ КРОВЛИ.. 7

2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОДин. 10

4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД   20

5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ПРОДОЛЬНЫХ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ.. 21

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Руководство по методике исследования физико-механических свойств и напряженного состояния горных пород приинженерных изысканиях и горных выработках, предназначаемых для размещенияобъектов народного хозяйства» разработано Всесоюзным научно-исследовательскиминститутом горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВННМИ) Минугленрома СССР(кандидаты техн. наук В.В. Райский, В.М. Барковский, И.Н. Воронин, Б.В.Матвеев, Б.И. Севастьянов) с участием производственного инаучно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве(ПНИИИС) Госстроя СССР (кандидаты геол.-мин. наук М.И. Погребиский и С.П.Абрамов), а также Всесоюзного научно-исследовательского института галургии(ВНИИГ) Минхимпрома СССР и Государственного Всесоюзного проектного инаучно-исследовательского института неметаллорудных материалов(Гипронинеметаллоруд) Минпромстройматериалов СССР.

При составлении Руководства учтены предложенияотдела технического нормирования и стандартизации Госстроя СССР, а такжеГосгорхимпроекта, Гипроцветмета, ДонУГИ, Донгипрошахта и ЦНИИПромзданий.

Руководствосоставлено на основании выполненных ВНИМИ исследований иинженерно-геологических изысканий в горных выработках шахт Минуглепрома СССР ирудников Минцветмета СССР и Минчермета СССР.

ВРуководстве приводятся методики для изучения всех основных геомеханическихпоказателей, необходимых для расчета устойчивости конструктивных элементов вгорных выработок, от действия статических и динамических нагрузок, а также дляинженерных изыскании устойчивости потолочин приспосабливаемых камерныхвыработок.

_______________________

1Рекомендовано к изданию решениями секций методики, экономики и техникиинженерных изысканий НТС ПНИИИСа и горного давления НТС ВНИМИ.

1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРОЧНОСТНЫХХАРАКТЕРИСТИК ОСЛАБЛЕННЫХ КОНТАКТОВ И ПРОСЛОЕВ В ПОРОДАХ КРОВЛИ

Выявление иустановление типов ослабленных контактов и прослоев1

1.1.Для использования горных выработок, особенно камерных, необходимо определять устойчивостьих кровли, схему расслоения, разрушения и возможного перемещения внутрь выработки.

1.2. Документация ослабленных поверхностей, контактови прослоев, по которым в начальной стадии чаще всего происходит разрушение слоистыхтолщ в виде расслоения, и которые выявляются на боковой поверхности керна, выполняетсяпосле их прочностных испытаний.

1.3. Определение прочностных характеристик,ослабленных контактов и прослоев, требует выполнения ряда приемов дляполучения, не разрушенного керна. Одним из обязательных условий полученияпоказателей прочности ослабленных контактов и прослоев является наличие неразрушенного керна.

1.4. При бурении скважины в результате взаимодействиябуровой коронки с керном (в пределах заштрихованной части у забоя скважины, рис. 1) возникают напряжения, вызванныекрутящим моментом. Когда угол bмежду осью скважины и напластованием пород равен90°, площадки наибольших касательных напряжении будут совпадать сослабленным контактом или прослоем и вероятность среза керна по нему будетвелика.

1.5.Для сохранения поверхностей ослабления не разрушенными и для определения ихпрочностных характеристик, необходимо выбуривать керн под некоторым углом кнапластованию (рис. 1).

1.6. Получение прямослойного кернанежелательно, потому что после разрушения  ослабленные контакты и прослои впроцессе бурения могут совсем истереться, не будут задокументированы, и этодаст неправильное представление о толще пород. Глубина проходки за одни приемне должна превышать 3-4 м в пределахисследуемого участка кровли.

____________________

1 См. «Методическое пособие по и изучению слоистости ипрогнозу расслаиваемости осадочных пород». ВНИМИ, Л, 1967

Рис. 1. Выбуриваниекосослойного керна

1, 2 - слон горных пород различного состава; 3 - поверхность ослабления

1.7. Зеркала скольжения образуются в результатетектонических подвижек по поверхностям с углистым, растительным и глинистымматериалом. При этом поверхности приобретают гладкий зеркальный вид часто соследами скольжения. При проскальзывании по мелкому растительному детриту,поверхность имеет шероховатый вид, сцепление практически равно нулю, а углытрения минимальные.

1.8.Углистые прослои, характерны наличием на поверхностях напластования обугленногоматериала толщиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров. В условияхспокойных режимов осадко-наконления углистые прослои имеют значительноераспространение по площади, чаще всего они распространены в тонкозернистыхпородах - аргиллитах и алевролитах. Прочностные характеристики углистыхпрослоев характеризуются прочностью углистого материала, который весьма хрупоки плохо работает на разрыв.

1.9.Растительные остатки па поверхностях напластования различной степениобугленности, образуют ослабленные поверхности. Распределение на нихрастительных остатков весьма неравномерное - от30 до 100%

поверхности напластования.

Ввидунеравномерного распределения растительных остатков по площади контактапоследние отличаются большими углами внутреннего трения и большими колебаниямисцепления и пределов прочности при разрыве.

1.10.Мелкий растительный детрит широко распространен на поверхностях ослабления вмелкозернистых и среднезернистых породах. Материал представляет собойобугленные растительные чешуйки, как правило, менее1 мм в поперечнике, неравномерно покрывающие поверхность ослабленногоконтакта. Чаще всего мелкий растительный детрит образует косоволнистуюслоистость, реже горизонтальную. Поверхность такого контакта слабошероховатая,отличается большой прочностью при разрыве.

1.11.Глинистые и глинистоуглистые прослои на поверхностях ослабления представленыматериалом незначительной мощности. В материале прослоя глинистый иглинистоуглистый материал составляет до 70%.Поверхности имеют слабошероховатый вид, прочность при разрыве незначительная.

1.12.Помимо перечисленных поверхностей с различным ослабляющим материаломвстречаются также ослабленные поверхности со слюдистым материалом, которыйможет присутствовать в углистых, глинистых прослоях и в мелком растительномдетрите.

Методика определения прочностных характеристик ослабленныхконтактов и прослоев

1.13.Для инженерных расчетов расслоения пород в потолочинах горных выработокнеобходимо определить кроме сведений о положении и типах ослабленных контактови прослоев предел прочности при разрыве, удельное сцепление и угол внутреннеготрения.

Дляопределения пределов прочности при разрыве по ослабленным контактам и прослоямрекомендуется метод раскалывания образца соосными клиньями, при котором керн недолжен подвергаться предварительной обработке с целью недопущения разрушенияослабленных контактов и прослоев, подлежащих испытанию. Плоскость ослабленногоконтакта при этом может пересекать керн под любым углом к его оси.

1.14.Предел прочности при разрыве

Rp,кгс/см2, вычисляют по

формуле

                                                                                                          (1)

Рис. 2Зависимость предела прочности при разрыве от площади поперечного сечения керна

гдеР - разрушающая нагрузка при раскалывании, кгс;

F- площадь поверхностираскола образца, см2.

Для определения пределов прочности при разрыве помассиву породы необходимо, чтобы длина отрезков керна была меньше 1,2 его диаметра или чтобы точка приложенияраскалывающего усилия от ближайшего конца керна находилась на расстоянии неменее 0,6 его диаметра

1.15.Предел прочности пород при разрыве для одной и той же породы зависит от площадипоперечного сечения образца, т.е. от масштабного фактора (рис. 2). Для определения предела прочностипри разрыве по ослабленным контактам и прослоям, который часто не превышает 1 кгс/см2, влиянием масштабногофактора можно пренебречь из-за его незначительности.

Рис. 3.Построение паспорта прочности по ослабленным контактам и прослоям

1.16.Величину удельного сцепления по ослабленному контакту определяют по принципуодноплоскостного среза на не разрушенном керне. УсилиемQ, направленным вдольоси керна, создают незначительное сжатие. Ослабленный контакт помещают надсрезом опоры и производят сдвиг поконтакту при некотором усилии, величинакоторого, отнесенная к площади сдвига (ордината точки1 на рис. 3) при небольшом усилии Qможет быть принята за удельное сцепление с некоторой погрешностью. Так какплоскость ослабленного контакта не перпендикулярна к оси керна, последнийследует укладывать на опору в такое положение, чтобы часть его, способнаяперемещаться под влиянием сдвигающегося усилия, получила движение ввертикальной плоскости во избежание заклинивания частей образца при срезе.

1.17.Угол внутреннего трения определяют на разрушенном керне по ослабленным контактами прослоям. Для этого части керна устанавливают в первоначальное положение и поочередносдвигают по контакту при различных величинах осевого усилия - трех или четырех его значениях (точки 2, 3 и 4на рис. 3). Получившиеся после испытания точки (2, 3 и 4)соединяют на графике прямой линией, угол наклона которой к оси абсцисс примерносоответствует углу внутреннего трения исследуемой ослабленной поверхности. Для полученияприближенного паспорта прочности по ослабленному контакту линию 2-4 переносят в точку1 под углом р.

1.18.Для определения углов внутреннего трения по ослабленным контактам и прослоямследует использовать такие керны, у которых угол между нормалью к его оси иплоскостью контакта не превышает величины угла внутреннего трения испытываемойповерхности. В противном случае при создании осевого усилия происходитпроскальзывание по этой поверхности. Практически угол пересечения оси скважиныс плоскостью ослабленного контакта и прослоя b(см. рис. 1) должен находиться в пределах 70-80°.

Приопределении удельного сцепления и углов внутреннего трения для создания осевогоусилия керн необходимо подвергать дополнительной обработке, заключающейся вобрезке торцов керна перпендикулярно к образующей.

Приборыдля определения прочностных характеристик ослабленных контактов и прослоев

1.19.Прибор БП-З для определения пределов прочности при разрыве предназначен дляиспытаний в полевых условиях, причем керн не подвергают никакой дополнительнойобработке. Раскалывание производят как вдоль, так и перпендикулярно кслоистости, получая значения сопротивления разрыву в этих направлениях.

Наибольшееусилие раскалывания при испытаниях на приборе БП-З-4500 кгс, диаметриспытываемых кернов - от10 до 160 мм (габариты прибора 375´320´440мм, вес 26 кг).

1.20.Приставка 70Д10 к прибору БП-З предназначена для определения удельного сцепленияи углов внутреннего трения. Основная особенность приставки заключается в том, чтона ней испытывают керн после незначительной обработки непосредственно в полевыхусловиях. Приставка характеризуется следующими параметрами: величина осевого усилия 1600 кгс, наименьшая длина керна 70 мм, наибольшая250 мм (габариты приставки 350Х80Х200 мм, вес20 кг).

1.21. Для испытания необходимо иметь прибор БП-З и станокМС-12. Станок МС-12 предназначен для обрезки торцов кернов в полевых условиях. Техническаяхарактеристики станка следующая: мощность двигателя1,5 кВт, диаметр отрезного диска 320мм, наибольший диаметр керна 120 мм, вес 80 кг. На обрезку керна диаметром 72 мм затрачивается около 1 мин.

2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОДин

2.1.Изучение трещиноватости включает: геологическое описание естественных и искусственныхобнажений и измерение параметров трещиноватости с помощью горного компаса, металлическойлинейки, рулетки, лупы и т.п. По каждому из параметров выполняется несколько десятковизмерений в пределах каждой системы трещин.

2.2. Элементы морфологии трещин, которые ни могут бытьохарактеризованы соответствующими измерениями (извилистость, шероховатость поверхности,зеркала и штрихи скольжения, заполнитель, изменчивость ширины трещин) рекомендуетсяописывать подробнее.

2.3. Расстояния между трещинами в системах необходимоизмерять по перпендикуляру к плоскостям трещин.По результатам измерения ориентировки трещин строят диаграммы трещиноватости, покоторым легко определяют углы между системами трещин.

2.4. По результатам измерения других параметров можнооценить некоторые свойства горных пород в массиве, Трещинную пустотность массива П%, определяют как суммарное отношение объема полостейтрещин к общему объему массива:

                                                                                                                        (2)

гдеаi - расстояние междутрещинами в системе, см;

bi-ширинатрещин в системе, см;

n -- число системтрещин.

2.5. Блочность -показатель размера блоков горной породы, разделенных трещинами, характеризуетсясредним поперечным размером блока абл, см, и определяется поформуле

                                                                   (3)

 

где - средине расстояния между трещинами в системах, см.

Системытрещин нумеруются так, чтобы выполнялось соотношение

Полнуюхарактеристику блочности горных пород в массиве представляют в видераспределения  по фракциям.Содержание фракций выражают в процентах от общего веса или от общего объемаблоков.

2.6. При отсутствии незакрепленных обнажений горныхпород сведения о трещиноватости получают по керну скважин, пробуренных вкровлю. Скважины при этом располагают под углом30° к напластованию пород. Для подсечения всех систем трещин необходимоиметь четыре скважины, пробуренные по восстанию, падению и в двепротивоположные стороны по простиранию пород. Определение элементов залеганиятрещин производят с помощью горного компаса или специальных палеток.

2.7. Палеткапредставляет собой четырехугольник из прозрачной плевки, у которого основаниеравно длине окружности керна, а высота -произведению диаметра на тангенс угла падения трещин. Для определения условныхазимутов трещин четырехугольник палетки разбит вертикальными линиями на 36 частей, которые являются десятиградуснымиинтервалами азимутального круга. Углы градуируются слева направо. Отсчет угловпадения трещин производится по горизонтальным линиям вертикальной сетки.

2.8.Для измерения условного азимута плоскости трещины и ее угла падения кернзаворачивают в палетку таким образом, чтобы линия соединения ее краев,совпадающая с условным нулевым азимутом, проходила вдоль керна. Вращая палеткувокруг керна, эту линию совмещают с наиболее низкой частью какого-либо слоя.Нижняя горизонтальная линия палетки должна при этом совпадать с самой низкойточкой выхода измеряемой трещины на поверхности керна, тогда эта точка отметитна горизонтальной шкале величину условного азимута падения трещины. Самаявысокая точка выхода трещины на поверхности керна отметит на вертикальной шкалепалетки угол падения трещины. Истинный азимут падения трещины , град (рис. 4), определяют по измеренному условномуазимуту и известному азимуту падения горных пород по формуле

                                                                                                                (4)

где  - условный азимут падения трещины, град;

 - азимутпадения парод, град.

2.9. Таким же способом выполняют замеры трещинпо керну наклонных скважин, заданных в любом направлении. В этом случаенеобходимы некоторые дополнительные вычисления углов падения, так как в керневместо них видны углы между трещинами и плоскостью, перпендикулярной к осикерна. Для преобразования видимых и измеренных палеткой углов падения вистинные необходимо знать величину угла наклона скважины, азимут этого наклонаи азимут падения слоев пород, пересеченных скважиной.

Измеренияпараметров необходимо выполнять для толщи пород, равной двукратной ширинеподземной выработки.

Рис 4.Схема к определению истинного азимута трещины

МЕТОДИКАОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД1

Отбор проб дляиспытаний

3.1.Отбор проб для лабораторных определений механических свойств пород производитсяв местах, наиболее типичных для проявления горного давления. Технология отборапроб должна обеспечивать максимальное сохранение представительности породы впробе по составу, строению и состоянию. Для этого обнажение массива в местеопробования рекомендуется предварительно зачистить.

В качестве проб используют буровые керны и монолиты,пригодные для выбуривания из них керна. Число и размеры проб, следуетопределять в зависимости от вида намечаемых испытаний и, числа изготовляемых изпроб образцов, подвергаемых испытаниям (с учетом повторности испытаний дляопределения коэффициентов вариации показателей, характеризующих неоднородностьпороды).

Минимальные размеры породных кусков, пригодных вкачестве пробы для механических испытаний, допускаются:

длякернов - диаметр не менее30 мм, длина не менее 150 мм (несчитая скосов у торцов);

для монолитов- не менее 200´200´150мм, не считая мест, нарушенных при отделении от массива.

Отборпроб, их транспортирование и хранение рекомендуется производить посоответствующим ГОСТам.

3.2.Для отделения проб от массива в обнажениях, не допускается применять взрывныеработы и, не рекомендуются резко ударные операции. Использование в качествепроб обрушенных породных кусков не допускается. При применении ударных операций(кайление и т.п.) размеры отбираемых проб увеличивают сверх предусмотренных израсчета последующей зачистки поврежденных участков пробы на глубину 5-10 см. Для отделения проб от массиварекомендуются буровые (обуривание строчками шпуров) и режущие (применениеугольных пил) операции.

Для пород легко расслаивающихся и структурно нарушенныхтрещинами с малым сцеплением (например, аргиллиты) указанные методы отбора проби их размеры часто практически оказываются недостижимыми. В этих случаяхнеобходимо проводить испытания лишь упрощенными методами с пониженнойнадежностью и повышенной доступностью. В качестве проб допускается отбор кусковнеправильной формы размером не менее 80х80х40мм, но в большем количестве, исходя из того, что кусок указанных размеров будетиспользован в качестве одиночного образца для испытания упрощенным методом.

1См. «Временныетребования по составу и методам механических испытаний горных пород приразведке месторождений полезных ископаемых для проектирования подземнойразработки». ВНИМИ, Л., 1966.

3.3. Все пробыпород, свойства которых зависят от влажности (алевролиты, аргиллиты, слабыепесчаники, известняки, соляные породы) немедленно после отбора консервируютпарафинированием или герметически упаковывают в полиэтиленовые мешочки, поодному куску в мешочек. Консервированные пробы породы укладывают в ящики дляпредохранения от толчков, ударов, падений, а также нежелательных температурныхи атмосферных влияний.

Методы лабораторных определений пределапрочности пород при одноосном сжатии

3.4.Одноосное сжатие - основной метод для массовыхиспытаний с нормальной надежностью до 95-98%.

Испытаниямподвергают цилиндрические образны (8-10 образцов из каждой пробы породы), диаметром от 30 до 60мм (в отдельных случаях до 100 мм), высотойот 0,8 до2,2 диаметра. Торцы образцов обрабатывают так, чтобы наибольшая стрелка ихкривизны составляла не более 0,05 мм, а чистотаповерхности была не ниже класса 4 (по ГОСТ 2789 -73). Отклонение торцовых поверхностейот перпендикуляра к оси образца допускается в пределах1 мм. Снижение требований к качеству торцовых поверхностей допускается приприменении рифленых или наборно-шариковых подкладок. В противном случае испытательноенагружение проводят с применением на контакте стальных каленых и шлифованных плиттвердостью .

3.5. Образцы испытывают сжатием вплоть доразрушения плавно нарастающей нагрузкой (общая длительность нагружения 0,6-1,5 мин). При этом центрированиенагружающего усилия производят с помощью легкоподвижных шаровых опор,располагаемых над верхним торцом образца (диаметр шара в опоре равен 0,4-0,6 диаметра образца).

Пределпрочности образца при сжатии Rс,кгс/см2 - рассчитывают по формуле

                                                                                                         (5)

гдеР - разрушающая нагрузка при сжатии, кгс;

d-диаметробразца, см;

h- высота образца, см.

Приприменении рифленых подкладок расчет ведут по формуле

Предел прочности породы и коэффициент его вариациирассчитывают по результатам испытания всех образцов, изготовленных из пробы, пообычным формулам математической статистики.

Рис. 5.Номограмма для определения Rc

Рис 6.Паспорт прочности пород

3.6.Метод соосных пуансонов - метод массовыхиспытаний пород прочностью 50-1200 кгс/см2с нормальной надежностью. Применяется при наличии корневой пробы, недостаточнойпо размерам для испытаний основным методом, либо при отсутствии мощныхнагрузочных испытательных машин.

Испытаниямподвергают образцы в форме плоских цилиндрических дисков, изготовляемых поперечнойразрезкой керна. Диаметры дисков (кернов) от 30до 120 мм, толщина 11-12 мм, число образцов- по 8-10 шт. из каждой пробы породы, параллельностьплоских сторон образцов - до 0,03 мм.

3.7.Предел прочности образца при сжатии Rс, кгс/см2,рассчитывают с помощью номограммы (рис5) по формуле

                                                                                                                                               (6)

гдеР - разрушающая нагрузка при сжатии, кгс;

F- площадь поверхности разрушения, см2,определяемая на номограмме по диаметру образца d, мм.

Предел прочности породы и коэффициент вариациирассчитывают по результатам испытания всех образцов данной пробы по обычнымформулам математической статистики.

3.8

. Метод раскалывания - экспресс-метод упрощенных испытаний пониженнойнадежности (60-75%). Применяется для пород, пробыкоторых представляют собой обломки керна или маломерные куски неправильнойформы, недостаточные или не поддающиеся выбуриванию для изготовления образцовправильной формы.

Метод основан на корреляционной связипредела прочности при сжатии пород с пределом их прочности при растяжении,определяемым с высокой надежностью путем раскалывания образцов пород.

Испытаниямподвергают образцы произвольной формы (обломки керна и т. п.), максимальныеразмеры которых ограничиваются габаритами испытательного устройства (80´80мм) и предельными величинами нагрузок, развиваемых испытательным устройством.Минимальны» размеры образцов 40´40 мм.

Для испытания применяется нагрузочныйприбор, разработанный ВНИМИ.

3.9.Предел прочности образца при сжатии

Rс,кгс/см2, вычисляют по формуле

                                                                                                                                          (7)

где Р - разрушающая нагрузка при раскалывании, кгс;

F - площадь поверхности раскола образца, см2;

m- коэффициент, равный 14,5 при P:F£67и 20,4 при P:F>67.Предел прочности породы и коэффициент вариации рассчитывают по результатамиспытания всех образцов, изготовленных из пробы, по обычным формуламматематической статистики.

3.10.

Одноосное сжатие образцовполуправильной формы - метод пониженнойнадежности (60-75%).Применяется в порядке исключения для пород, пробы которых разрушаются врезультате воздействия технологических условий выбуривания и изготовления образцов правильной формы.

Испытаниямподвергают образны, изготовляемые из обломков породы осторожной подшлифовкойдвух параллельных плоских граней. Размеры образца должны отличаться друг отдруга не более чем в 3 раза. Допустимыезначения размеров должны быть в пределах 20-200мм, при этом отношение высоты образца (в направлении, перпендикулярном к подшлифовке)к наименьшему из остальных двух размеров должно быть в пределах 0,5-3. Площади подшлифованных граней не должныразличаться более чем в 1,5 раза.Плоскость подшлифованных граней соблюдают с точностью ±0,03 мм, а ихпараллельность - с точностью ±0,5 мм.Испытание необходимо производить на 4-5образцах.

3.11. Предел прочности образца при сжатии Rс, кгс/см2,рассчитывают по формуле

                                                                                (8)

гдеР - разрушающая нагрузка при сжатии, кгс;

aср -среднеарифметическое наименьшего габаритного поперечного размера, подсчитанноепо размерам подшлифованных граней, см;

bср -то же, наибольшего габаритного поперечного размера, см;

h- высота образца, см.

Пределпрочности породы и коэффициент вариации рассчитывают по результатам испытаниявсех образцов данной пробы по обычным формулам математической статистики.

Методылабораторных испытаний предела прочности пород при растяжении

3.12.«Бразильский» метод - основной метод длямассовых испытаний с нормальной надежностью 95-98%.

Испытаниямподвергают цилиндрические образцы диаметром 30-60мм, высотой (не считая скоса торцов) от 0,6до 1,1 диаметра, по 8-10 образцов из каждой пробы породы. Ккачеству торцовых поверхностей образцов особых требований не предъявляют, онимогут представлять собой даже поверхности разлома. Разницу в длине образующихобразца допускают в пределах 10-15% среднейдлины образца. Две противоположные образующие образца подготовляют к приложениюраспределенной вдоль них испытательной нагрузки, для чего вдоль этих образующихзашлифовывают на плоской шлифовальной планшайбе две фаски шириной 3-5 мм.

Образециспытывают с использованием устройства типа раскалывающих клиньев.

3.13. Предел прочности образца при растяжении

Rр,кгс/см2, рассчитывают по формуле

                                                                                                     (9)

гдеР - разрушающая нагрузка прираскалывании, кгс;

F- площадь поверхности раскола образца, см2, Предел прочности породы b коэффициентвариации рассчитывают по результатам испытания всех образцов данной пробы пообщеизвестным формулам математической статистики.

3.14.Раскалывание сферическими инденторами -упрощенный экспресс-метод для массовых испытаний с нормальной надежностью 95-98%.

Содержание метода изложено в п. 3.8.

Предел прочности образца при растяжении Rр, кгс/см2, рассчитывают по формуле

                                                                                                      (10)

гдеР - разрушающая нагрузка прираскалывании, кгс;

F- площадь поверхности раскола образца, см2.

3.15. Поперечное раскалывание керна - полевой упрощенный метод пониженной надежности (60-75%),применяющийся, главным образом, для расслаивающихся пород.

Испытаниямподвергают керны диаметром до 160 мм идлиной не менее диаметра. Дополнительная обработка кернов не требуется.

Образециспытывают с использованием устройства типа раскалывающих клиньев.

3.16. Предел прочности образца при растяжении

Rр, кгс/см2, рассчитывают ноформуле

                                                                                                       (11)

гдеР - разрушающая нагрузка при раскалывании, кгс;

F- площадь поверхности раскола, равная площади поперечного сечения керна, см2.

Пределпрочности пород и коэффициент вариации рассчитывают по результатам 5-6 испытаний, для чего используют какотдельные образцы, так и их остатки после раскола, если они по длинеудовлетворяют требованию п. 3.16.

Методылабораторных испытаний показателей объемной прочности

Объемное сжатие в стабилометре - основной метод испытаний с нормальной надежностью 95-98%, применяемый при наличии соответствующеголабораторного оборудования.

Испытаниямподвергают цилиндрические образцы диаметром от 30до 43 мм (в отдельных случаях до 50 мм), высотой60-80 мм, по 18-12 образцов изкаждой пробы породы.

Образцыиспытывают сжатием между нагрузочными плитами стабилометра.

Врезультате испытания определяют предельные значения двух главных напряжении.

Паспортобъемной прочности породы строят графически (рис. 6),как огибающую предельных кругов Мора всех испытанных образцов, причем различныеобразцы данной пробы испытывают при различающихся значениях гидростатическогодавления в рабочей камере стабилометра, Удельное сцепление породы определяюткак отрезок, отсекаемый огибающей па оси касательных напряжений, а уголвнутреннего трения как угол наклона огибающей к оси нормальных напряжении.

3.18.Метод косого среза - метод испытаний с пониженной надежностью (70-75%),применяемый при наличии соответствующего лабораторного оборудования.

Испытаниямподвергают цилиндрические образцы диаметром 42-43мм, высотой 65-70 мм, по 6-8 образцов из каждой пробы породы.

Дляполучения данных, необходимых для построения паспорта прочности, половинуобразцов подвергают срезу при угле наклона к направлению нагружения, равном 45°, а половину- при угле наклона 30°. Полноеразрушающее, образец напряжение sа,рассчитывают по формуле

                                                                                                                                             (12)

гдеР - разрушающая нагрузка при срезе, кгс;

d- диаметр образца, см;

h- высота образца, см.

Длякаждого угла наклона усредняются величины полного разрушающего напряжения.

3.19.Паспорт прочности пород строят графически (рис. 7).Параметры его С - удельное сцепление,кгс/см2, и

tgj - коэффициентвнутреннего трения вычисляют по формулам:

                                   13)

                                            (14)

где -полное разрушающее напряжение при срезе под углом45°,

кгс/см2

- то же, при срезе под углом 30°, кгс/см2.

3.20.Расчетный метод по М.М. Протодьяконову - методприближенной оценки удельного сцепления и угла внутреннего трения, применяемыйпри отсутствии оборудования для лабораторных испытаний объемной прочности.

Рис. 7.Паспорт прочности  пород

Метод основан наиспользовании установленного М.М. Протодьяконовым общего вида аналитическоговыражения паспорта прочности горных пород

                                                                                (15)

гдеtмакс - максимальноесдвигающее напряжение, кгс/см2;

а- параметр выполаживания огибающей кривой, кгс/см2. tмакси а принимаются в зависимости от величины отношения Rс/Rрдля данной породы. Использование этой зависимости позволяет приближенноопределять удельное сцепление и коэффициент внутреннего трения по результатамлабораторных испытаний пределов прочности при сжатииIbрастяжении, приведенным в следующей таблице:

Rс/Rр

1/Rpco,75

1/Rpco

tgj0.75

tgj0

4

1,60

1,05

0,27

0,75

5

1,85

1,19

0,37

0,87

6

2,11

1,32

0,47

0,98

7

2,36

1,45

0,55

1,08

8

2,62

1,57

0,63

1,18

9

2,87

1,69

0,69

1,27

10

3,15

1,80

0,74

1,35

11

3,41

1,91

0,78

1,43

12

3,69

1,01

0,81

1,50

13

3,96

2,10

0,84

1,57

14

4,23

2,19

0,87

1,63

15

4,25

2,27

0,89

1,69

16

4,83

2,35

0,91

1,75

17

5,16

2,42

0,93

1,82

18

5,48

2,49

0,95

1,87

19

5,80

2,57

0,97

1,93

20

6,14

2,63

0,99

1,98

21

6,47

2,71

1,01

2,03

22

6,80

2,78

1,03

2,09

23

7,14

2,85

1,04

2,14

24

7,47

2,91

1,06

2,19

25

7,80

2,98

1,07

2,24

26

8,13

3,05

1,08

2,29

27

8,46

3,12

1,09

2,34

28

8,79

3,18

1,10

2,39

29

9,14

3,25

1,11

2,44

30

9,52

3,31

1,12

2,48

Втаблице приведены расчетные величины для наиболее характерных напряжений:среднего на участке 0,5 Rс<s<Rc(показатели C0,75и tgj0,75)и в точке s=0(показатели С0 и tgj0).

Объемное сжатиев гидравлической установке сложного нагружения (ГУСН)

3.21.Испытаниям подвергают образцы диаметром 30мм и длиной в рабочей части не менее 60мм при общей длине образца 80 мм. Вкамере установки ГУСН образцы подвергают одновременно осевому s1боковому s2, s3сжатию. Боковое да1вленне во время опыта поддерживают постоянным.

Впроцессе опыта измеряют главные относительные деформации e1=e2=e3и главные нормальные напряжения s1,s2=s3.Измерение деформаций производят тензодатчиками, наклеенными на поверхностьобразца вдоль и перпендикулярно к его оси, т. е. по направлениям главных осей.Регистрацию деформаций и нагрузки ведут на многоканальном шлейфовомосциллографе. Предел прочности образца Rс,кгс/см2 определяют по формуле

                                                                                                                     (16)

гдеd0 - первоначальныйдиаметр образца до нагружения, см;

e2- относительная поперечная деформация.

Приd0=3см

                                                                                            (17)

3.22. Паспорт прочности строят в координатах . Условия перехода горных пород в предельное состояние имеютвид:

                                                                                                (18)

                                                                                               (19)

где  и -соответственно пределы прочности и упругости;

А, В, , t - константы, зависящие от свойств парод;

Сs - параметр,характеризующий вид напряженного состояния, равный отношению главных напряжений(минимального к максимальному).

Выражение (18)характеризует условие предельных прочных состояний,

где                                                   

авыражение (19) характеризуетусловие предельных упругих состояний, где, а ,  -главные нормальные напряжения на пределах прочности и упругости.

Использованиеаналитических зависимостей условий предельных состояний(18 (16) позволяет сократитьчисло необходимых опытов для получения всех входящих в уравнения констант додвух: один - на одноосное сжатие и один - насжатие под боковым давлением при параметре s2/s1, » 0,3.При этих опытах регистрируют величины всех компонентов напряжении и деформацииот начала напряжения до момента разрушения.

Исследованиеползучести и долговечности в условиях одноосного сжатия

3.23. Испытания проводят на пружинных прессах, накоторых постоянство заданной нагрузки обеспечивается упругой энергией сжатыхпружин.

Дляпород прочностью Rс=100-1000 кгс/см2 размеры призматических образцов должныбыть от 150´150´300 до 100´100´200мм.

Впроцессе опытов измеряют величины напряжении и все главные деформации образцов.Измерение деформаций осуществляют с помощью комплекта индикаторов часового типас ценой деления 0,01 мм.

Образецизолируют многочисленными (до 10-20слоев) чередующимися покрытиями поверхности парафином и резиновым клеем, чтопозволяет сохранить влажность образца неизменной в течение длительного времени.Кроме того. изолирующее покрытие защищает материал образца от атмосфернойвлаги, которая, проникая в тело образца, способствует ослаблению элементарныхмежатомных связей, в результате чего процесс ползучести может протекатьинтенсивнее.

Испытанияследует производить на 2-3 одинаковыхобразцах при нагрузках, равных 30, 60 и 85% величины разрушающего напряжения,определяемого при быстром нагружении.

Первичныерезультаты измерений наносят на график в координатах «деформация - время».

Кривыеползучести строят для продольных e1средни поперечных деформаций e2средн,замеренных в средней части образца, а также объемных деформаций, определяемыхпо формуле

.

Кривыеползучести позволяют получить величины деформаций ползучести в зависимости отприложенных нагрузок, величины скоростей ползучести e1, e2 при разных нагрузках и время доразрушения t в зависимости от нагрузки.

Методы лабораторных испытаний модуля упругости пород приизучении проявлений горного давления

3.24. Одноосное сжатие- метод нормальной надежности (95-98%).Испытания производят по методике, аналогичной методике определения пределапрочности при сжатии породных цилиндров. Отличие состоит в следующем:

высотуиспытываемых образцов принимают в пределах1,5-2,5 диаметра;

образцыармируют тензодатчиками сопротивления типа ПКВ-20´100или накладными тензометрами типа ДМ-12.

Режим нагружения предусматривает ступенчатоеувеличение нагрузки со снятием ее после каждой ступени и с фиксацией величиндеформаций (продольных и поперечных) на каждом этапе режима нагружения.Испытания повторяют на трех-четырех образцах.

Модульупругости Е, иге/см2, и коэффициент Пуассона v рассчитывают по формулам:

                                                                                                                   (20)

Отношениеполной деформации к ее упругой части равно

.                                                                                        (21)

где - разность напряжениисжатия образца в начале и в конце

ступениразгрузки (для каждой ступени);

 -разность продольных относительных деформаций образца

вначале и в конце ступени разгрузки;

 -то же, поперечных относительных деформаций;

 -полная величина продольной относительной деформации, соответствующая нагрузке,равной 0,76-0,85 разрушающей;

 -тоже, соответствующая снятию нагрузки, равной0,75 - 0,85 разрушающей.

Модуль упругости и коэффициент Пуассона породывычисляют путем усреднения этих показателей для всех испытанных образцов породыи всех ступеней разгрузки.

3.25.Контактное вдавливание сферических и инденторов- экспресс-метод массовых испытаний с пониженной надежностью (85-90%)Отличие от метода, изложенного в пп. 3.8и 3.14,состоит в следующем:

нагрузочныйприбор комплектуют индикаторами часового типа для измерения глубины упругоговнедрения инденторов в образец:

режимнагружения предусматривает 2 – 4 - ступенчатоеувеличение нагрузки со снятием ее после каждой ступени и фиксацией величиныглубины вдавливания инденторов на каждом этапе увеличения нагрузки иразгружения. Модуль упругости Е, кгс/см2 образца рассчитываютпо формуле

                                                                             (22)

а отношение полной деформации к се упругой части - по формуле

                                                                                            (23)

где - упругое (приразгрузке) взаимное смещение инденторов, мм×102 при изменении нагрузки (в сторонууменьшения на величину DР);

 -начальная величина пластического вдавливания, отвечающая смятию шероховатостейпод обоими инденторами (мм 102);

Dполн- полное (при нагружении) взаимное смещениеинденторов.

Испытаниена каждом образце повторяют два-три раза с изменением мест вдавливанияинденторов, а всего испытаниям подвергают два-три образца из испытываемойпробы. Модуль упругости породы вычисляют усреднением результатов для всехиспытаний проб и  всех ступеней разгрузки.

3.26.Ультразвуковой метод продольного профилирования- упрощенный метод с пониженной надежностью, применяемый для непористых породпри наличии соответствующего оборудования.

Испытаниямподвергают цилиндрические образцы диаметром от 36до 110 мм с плоскими основаниями идлиной, равной двум-трем диаметрам.

Применяемуюдля прозвучивания частоту колебаний f,превышающую 300 кГц, определяют изусловия f=2up/d.

Расчет показателей упругости образца производят поформулам:

                                                                                                               (24)

                                                                            (25)

где - скоростьраспространения продольных колебаний, см/мкс;

 - скоростьраспространения поверхностных колебаний,

см/мкс;

q=981см/с2 -ускорение силы тяжести;

g - объемная масса породы, кг/м'.

Испытание на каждом образце повторяют два-три разасо смещением места расположения пьезодатчиков ультразвука, а всего испытаниямподвергают два-три образца из испытываемой пробы. Для оценки определяемыхпоказателей упругости породы принимают результаты прозвучивания, различающиесямежду собой не более, чем на 15-20%.

Образцыпосле определения данным методом показателей упругости могут быть повторноиспользованы для иных видов испытаний.

Определениепрочности пород при сжатии в натурных условиях1

3.27. Натурныеиспытания проводят для определения прочности массива с учетом ослабляющеговлияния трещин. Размер образцов (призмы) при натурных испытаниях должен быть таким,чтобы в нем содержался достаточно представительный набор различного родаструктурных неоднородностей (трещин, слоев и т. п.),

Испытанияпроизводят в стенке выработки, предварительно зачищаемой от разрушенной ивыветренной породы. Для оконтуривания призмы в породах с прочностью в образце до 200-400 кгс/см2 применяют цепнуюпилу типа МС-10 с зубцами, армированными твердым сплавом. В более прочныхпородах, оконтуривающие щели образуют пробуриванием скважин станкамивращательного бурения.

Рекомендуемаясхема испытаний приведена на рис. 8. В шпуры, пробуренные вращательнымспособом до оконтуривания призмы, закладывают реперы для наблюдения продольных и поперечных деформаций призмы в процессеиспытаний с помощью индикаторов часового типа,

Размерыпризмы а, b,с выбирают с учетом мощности давильной установки. Испытание призмыбольшого размера весьма трудоемко. Ее целесообразные размеры таковы: а=b=0,5 м;с=0,75 м. Высота ниши для монтажа давильной установки определяется еегабаритами.

Длязагружения призм указанного размера, рекомендуются давильная установка ВНИМИтипа 9С12 (усилие до 100 тс) и комплектиз 9 давильных цилиндров типа БУ-ЗО (усилие до 1800 тс),

3.28.Прочность массива при сжатии

Rс.м,кгс/см2, определяют по формуле

                                                                                                    (26)

гдеР - разрушающее усилие, кгс;

ab- площадь поперечного сечения призмы, см2.

Нагружениепризмы ведут ступенями примерно по 10%ожидаемой разрушающей нагрузки. После каждой ступени нагружения снимаютсяпоказания индикаторов.

Продольныеи поперечные деформации e рассчитывают поформуле

_________

1 Подробнее методика натурныхиспытаний изложена в «Методическом пособии по натурным методам механических испытаниигорных пород», ВНИМИ, Л., 1969.

,                                                                                                                                            (27)

Рис. 8. Схема натурных испытанийпород на одноосное сжатие в массиве

1 - шпуры; 2 - реперы; 3 -индикатор

где - изменениерасстояния между реперами, мм;

l- расстояние между реперами, мм.

Модульдеформации определяют по формуле

.                                                                                                          (28)

Наосновании натурных испытаний прочностных свойств пород устанавливаюткоэффициент структурного ослабления пород

.

4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

4.1.Из натурных методов определения напряжений - разгрузки, компенсационнойнагрузки, разности давлении, упругих динамометров, измерения деформаций буровыхскважин, геофизических методов - применяютметод полной разгрузки. Применяя метод разгрузки, необходимо иметь в виду, чтоон работает в пределах линейной упругости. По техническому исполнению ианалитическим приемам расчета напряжений, следует различать три принципиальныесхемы применения метода полной разгрузки1.

4.2.При использовании схемы ВНИМИ производят бурение скважин меньшего диаметра (71 мм) и выбуривание керна небольшой длины (35-71 мм). Схема с центральной скважиной требуетвыбуривания керна значительно больших размеров(93-112 и 200-300 мм), а это оченьтрудно, а иногда вообще невозможно осуществить (например, при сильнотрещиноватыхили слабых горных породах).

4.3. Для определения напряжений и массива методомразгрузки рекомендуется:

а)пробурить скважину определенного диаметра до места, в котором необходимоопределить напряжение;

б) торцу скважины придать определенную форму(при схеме ВНИМИ) или в центре забоя скважины пробурить опережающую скважинуменьшего диаметра (другие схемы);

в)в центральной части торца скважины или в опережающей скважине установитьдеформометр;

г)при помощи кольцевой коронки выбурить керн;

д)измерить деформации упругого восстановления;

е)измерить модуль упругости и коэффициент Пуассона в месте измерения деформацийупругого восстановления;

ж)вычислить величины главных напряжений и их направление.

4.4.Комплект оборудованияи измерительной аппаратуры должен включать буровые станки, буровыеприспособления, измерительную аппаратуру и вспомогательное оборудование. Длябурения скважин в крепких породах рекомендуется применять станки вращательногобурения.

________

1 См. «Методические указанияпо применению метода разгрузки для изменения напряжений в массивах горныхпород». ВНИМИ, 1972.

4.5. Для схемы ВНИМИ используется следующееоборудование:

колонковыетрубы диаметром 71 мм, длиной от 0,5 до 1 м со специальными переходниками;

мелкоалмазныекоронки диаметром 76 мм для крепких ивесьма крепких горных пород, и коронки диаметром76 мм, армированные победитовыми пластинками для слабых и среднейкрепости пород;

специальныешлифовальные коронки ЗД/13, 73Р01, 73Р02;

самоориентирующеесядосылочное устройство 5Д-45 и досылочные штанги;

тензометрическийдеформометр со съемной платой 7Д-23 или тензометрический деформометр сприжатием тензорезисторов;

клейциакрин «ЭО» с наполнителем Аэросил-380 или эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6 с отвердителемполиэтилен-полиэмином;

ацетон;

тензорезисторытипа ПКБ;

регистрирующаяаппаратура: тензометрическая станция СБ8 или тензометрическая приставка 71Р01с гальванометром М195/1.

4.6. Для схемы с центральной скважиной используетсяследующее оборудование:

мелкоалмазныекоронки диаметром 93 и 12 мм для крепких пород;

коронкидиаметром 93 и112 мм, армированные победитовыми пластинами, для слабых и среднейкрепости пород;

комплектвспомогательного и бурового оборудования МС-18;

ацетон;

деформометрДМ-15;

клейциакрин «ЭО» с наполнителем Аэросил-380;

регистрирующаяаппаратура, состоящая из тензометрической приставки71Р01 с гальванометром М195/1.

4.7. Число измерительных скважинрекомендуется принимать согласно п. 3.18 Инструкции. Ориентировка скважин прииспользовании метода разгрузки по схеме ВНИМИ следующая:

еслинапряжения определяют в узких ленточных целиках, то скважину следуетрасполагать в средней части целика по его высоте в направлении,перпендикулярном к длинной оси целика;

еслинапряжения определяют в высоких столбчатых целиках, то скважину следуетрасполагать также в средней части целика по его высоте и направлять в центрцелика;

еслинапряжения определяют в широких целиках, то необходимо бурить две измерительныескважины: одну перпендикулярно к продольной оси целика, другую - вдоль целика;

еслинапряжения определяют в нетронутом массиве, то первую измерительную скважинунеобходимо бурить по направлению известного главного напряжения (желательноминимального), а вторую - по направлениюменьшего из двух главных напряжении, определенных измерениями в первойскважине.

4.8. При применении метода разгрузки по схеме сцентральной скважиной ориентировка скважин следующая:

еслинапряжения определяют в нетронутом массиве с неизвестными направлениями главныхнапряжений, то скважины следует располагать ортогонально и так, чтобы онинаходились в одной геологической разности пород. Так как чаще всего одно изглавных напряжении совпадает с направлением гравитационных сил, то необходимопервую измерительную скважину направлять вертикально вверх; если напряженияопределяют в массиве с известным направлением хотя бы одного главногонапряжения, то измерительную скважину следует бурить в направлении известногоглавного напряжения. Для определения напряжений на поверхности выработкиследует применять метод частичной разгрузки.

5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯСКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ПРОДОЛЬНЫХ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ГОРНЫХПОРОДАХ

Определениескорости продольной волны по наблюдениям в выработках и скважинах

5.1. Для определения скорости продольной волны вдольстенки скважины пли горной выработки необходимо регистрировать прямуюпродольную волну, распространяющуюся от пункта возмущения, и время пробега еефронта до каждой точки наблюдения.

Вкачестве регистрирующей аппаратуры следует применять осциллограф Н-700,а в качестве измерительной аппаратуры -сейсмо-приемники марки С-1-30 в комплекте с 20-канальным усилителем СБ-12конструкции ВНИМИ.

5.2. Прирегистрации сейсмоприемники необходимо устанавливать по профилю в пунктахнаблюдений, расположенных на расстоянии 10, 20,40, 60 и 80 м от пункта взрыва. Впунктах наблюдений бурят наклонные шпуры в направлении к очагу взрыва такимобразом, чтобы их забой находился на расстоянии1,5 м от стенки выработки. В этих шпурах жестко с помощью клиновыхзажимов укрепляют сейсмоприемники. Для возбуждения упругих колебаний применяютвзрывы зарядов ВВ весом 1 - 3 кг.

5.3.По сейсмограммам взрывов определяют время пробега и строят годограф вступленийпрямой волны относительно первого пункта наблюдений. Этот способ дает точныерезультаты в монолитных магматических и осадочных породах. В слоистыхосадочных  метаморфических породах дляучета анизотропии обязательно необходимо определить скорости упругих волн внаправлении, перпендикулярном к слоистости. Для измерения скорости вкрестнапластования рекомендуется использовать вертикальные выработки, скважины, атакже выработки, расположенные па разной глубине от земной поверхности.

Прискважинных наблюдениях сейсмоприемники помещают в специальных устройствах,расклиниваемых на заданной глубине. Если в скважинах имеется буровой раствор,то жесткое закрепление не применяют.

5.4. Шаг установки сейсмоприемников выбирают сучетом мощности слоев покрывающих пород. Для пород, представленных слоямимощностью свыше 10 м, расстояние междусейсмоприемниками вблизи охраняемого объекта следует принимать в пределах 10 м, выше оно может быть увеличено до 50 м. Детальными измерениями охватывают зонурадиусом 40 м от объекта.

Еслимощность слоев в породах налегающей толщи меньше5 м, то расстояние между сейсмоприемниками, вблизи объекта необходимосокращать до 5 м, а в вышележащих слоях - до 20 - 30 м.Возбуждение упругих волн производят взрывами зарядов на земной поверхности илив скважинах.

5.5. Сейсмический каротаж при расположениипункта взрыва у устья скважины позволяет получать продольные вертикальныегодографы. По этим годографам для отдельных стратиграфических и литографическихпачек пород определяют пластовые или средние скорости. Если разница междупластовой и средней скоростью не превышает погрешности измерений ±10%,то при расчете используют любую извычисленных скоростей.

5.6.Пластовую скорость

 вычисляют по формуле

                                                                                                      (29)

где  и  -приращения определяют по отдельным интервалам на продольном годографе.

Среднююскорость  рассчитывают поформуле

                                                                                                       (30)

где åh - мощность свиты, м;

åt - время пробега волны от кровли доподошвы свиты.

Определение скоростиупругих волн на образцах

5.7. Измерение скорости упругих волн в образцахпроизводят с помощью импульсной аппаратуры. Для регистрации применяют установкуУКБ-1М (Кишинев, з-д «Электроточприбор»), позволяющую измерять время пробегаупругих волн в пределах от 0 до 5500 мкс.

Образцыперед измерениями необходимо подвергать механической обработке - обрезают торцы с соблюдением параллельности ихплоскостей, которые в дальнейшем шлифуют. Поперечный размер образца должен бытьбольше длины излучаемого импульса, а его высота должна быть равна трем-четыремдлинам импульса,

5.8. Скорость продольной волны Vвычисляют по формуле

                                                                                                           (31)

гдеl0 - длина образца;

t- время пробега волны от излучателя до приемника.

Втрещиноватых образцах скорость измеряют для импульсов с частотой 25 кГц, в монолитных- с частотой 60, 100 и 150 кГц. Пластовые и средние скоростиопределяют по формулам п. 5.6,

Определение скорости распространения ударнойволны в зоне упругопластических деформаций в натурных условиях

5.9. Скорость фронта ударной волны в зонепластических деформаций определяют регистрацией моментов прохождения фронтаударной волны через датчики, расположенные на известном расстоянии от центравзрыва (эпицентра взрыва). Для возбуждения упругопластической волны применяютзаряды ВВ в количестве, определяемом необходимостью обеспечения возникновенияпластических деформаций в местах расположения датчиков. Величину заряданеобходимо рассчитывать исходя из физико-механических свойств породы и типаприменяемого взрывчатого вещества.

5.10. В качестве датчиков необходимоиспользовать турмалиновые пьезоэлектрические датчики давления для регистрацииимпульсов давления, длительности переднего фронта 1- 2 м/с в зоне 7 - 10 радиусов заряда и взоне до 20 радиусов с учетом длительностинарастания переднего фронта, равной 2 - 5м/с.

Регистрациядавления осуществляется катодным двухлучевым осциллографом C1-24 (ОК-17м)с однократной ждущей разверткой, позволяющим регистрировать динамические процессыс частотой до 1мГц. Для предварительногоусиления импульсов может быть использован измерительный усилитель типа 103-И.

Определениескорости распространения упругопластических волн на модели

5.11. Наиболее распространенными и точными методамиэкспериментального определения ударной сжимаемости (ударной адиабаты) горныхпород следует считать метод торможения. Суть метода заключается в соударениидвух образцов исследуемой горной породы посредством заряда ВВ.

Измерениескорости ударной волны необходимо производить на неподвижном образце, именуемоммишенью, посредством электроконтактных датчиков, шлейфового осциллографа Н-700и усилителя УТС-112.

Методторможения позволяет получить ударные адиабаты твердых тел при высоких давлениях - до 50 ×106кгс/см2.

17
Мне нравится
Комментировать Добавить в закладки

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи.

Пожалуйста зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.