1.10. Мелкий растительный детрит широко распространен на поверхностях ослабления в мелкозернистых и средпезернистых породах. Материал представляет собой обугленные растительные чешуйки как правило, менее 1 мм в поперечнике, неравномерно покрывающие поверхность ослабленного контакта. Чаще всего мелкий растительный детрит образует косоволнистую слоистость, реже горизонтальную. Поверхность такого контакта слабошероховатая, отличается большой прочностью при разрыве.
1.11. Глинистые и глинистоуглистые прослои на поверхностях ослабления представлены материалом незначительной мощности. В материале прослоя глинистый и глинистоуглистый материал составляет до 70%. Поверхности имеют слабошероховатый вид, прочность при разрыве незначительная.
1.12. Помимо перечисленных поверхностей с различным ослабля-ющим материалом встречаются также ослабленные поверхности со слюдистым материалом, который может присутствовать в углистых, глинистых прослоях и в мелком растительном детрите.
Методика определения прочностных характеристик ослабленных контактов и прослоев
1.13. Для инженерных расчетов расслоения пород в потолочинах горных выработок необходимо определить кроме сведений о положении и типах ослабленных контактов и прослоев предел прочности при разрыве, удельное сцепление и угол внутреннего трения.
Для определения пределов прочности при разрыве по ослабленным контактам и прослоям рекомендуется метод раскалывания образца соосными клиньями, при котором керн не должен подвергаться предварительной обработке с целью недопущения разрушения ослабленных контактов и прослоев, подлежащих испытанию. Плоскость ослабленного контакта 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. 2 Зависимость предела прочности при разрыве от площади поперечного сечения керна
где Р —разрушающая нагрузка при раскалывании, кгс;
F— площадь поверхности раскола образца, см2.
Для определения пределов прочности при разрыве по массиву породы необходимо, чтобы длина отрезков керна была меньше 1,2 его диаметра или чтобы точка приложения раскалывающего усилия от ближайшего конца керна находилась на расстоянии нс менее 0,6 его
диаметра
1.15. Предел прочности пород при разрыве для одной и той же породы зависит от площади поперечного сечения образна, т.е. от масштабного фактора (рис. 2). Для определения предела прочности при разрыве по ослабленным контактам и прослоям, который часто не превышает 1 кгс/см2, влиянием масштабного фактора 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 но принципу одноплоскостного среза на неразрушенном керне. Усилием Q, направленным вдоль оси керна, создают незначительное сжатие. Ослабленный контакт помещают над срезом опоры и производят сдвиг по контакту при некотором усилии, величина которого, отнесенная к площади сдвига (ордината точки 1 на рис. 3) при небольшом усилии Q может быть принята за удельное сцепление с некоторой погрешностью. Так как плоскость ослабленного контакта не пернендикулярна к оси керна, последний следует укладывать на опору в такое положение, чтобы часть его, способная перемещаться под влиянием сдвигающегося усилия, получила движение в вертикальной плоскости во избежание заклинивания частей образца при срезе.
1.17. Угол внутреннего трения определяют на разрушенном керне по ослабленным контактам и прослоям Для этого части керна устанавливают в первоначальное положение и поочередно сдвигают по контакту при различных величинах осевого усилия—трех или четырех его значениях (точки 2, 3 и 4 на рис. 3). Получившиеся после испытании точки (2, 3 и 4) соединяют на графике прямой линией, угол наклона которой к оси абсцисс примерно соответствует углу внутреннего трения исследуемой ослабленной поверхности. Для получения приближенного паспорта прочности по ослабленному контакту линию 2—4 переносят в точку 1 под углом р.
1.18. Для определения углов внутреннего трения по ослабленным контактам и прослоям следует использовать такие керны, у которых угол между нормалью к его оси и плоскостью контакта не превышает величины угла внутреннего трения испытываемой поверхности. В противном случае при создании осевого усилия происходит проскаль-зывание по этой поверхности. Практически угол пересечения оси скважины с плоскостью ослабленного контакта и прослоя ?? (см. рис. 1) должен находиться в пределах 70—80°.
При определении удельного сцепления и углов внутреннего трения для создания осевого усилия керн необходимо подвергать дополнительной обработке, заключающейся в обрезке торцов керна перпендикулярно к образующей.
Приборы для определения прочностных характеристик
ослабленных контактов и прослоев
1.19. Прибор БП-З для определения пределов прочности при разрыве предназначен для испытаний в полевых условиях, причем керн не подвергают никакой дополнительной обработке. Раскалывание производят как вдоль, так и перпендикулярно к слоистости, получая значения сопротивления разрыву в этих направлениях.
Наибольшее усилие раскалывания при испытаниях на приборе БП-З—4500 кгс, диаметр испытываемых кернов — от 10 до 160 мм (габариты прибора 375х320х440 мм, вес 26 кг).
1.20. Приставка 70Д10 к прибору БП-З предназначена для определения удельного сцепления и углов внутреннего трения. Основная особенность приставки заключается в том, что на ней испытывают керн после незначительной обработки непосредственно в полевых условиях. Приставка характеризуется следующими параметрами: величина осевого усилия 1600 кгс, наименьшая длина керна 70 мм, наибольшая 250 мм (габариты приставки 350Х80Х200 мм, вес 20 кг).
1.21. Для испытания необходимо иметь прибор БП-З и станок МС-12. Станок МС-12 предназначен для обрезки торцов кернов в полевых условиях. Техническая характеристики станка следующая: мощность двигателя 1,5 кВт, диаметр отрезного диска 320 мм, наибольший диаметр керна 120 мм, вес 80 кг. На обрезку керна диаметром 72 мм затрачивается около 1 мин.
2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОДин
2.1. Изучение трещниоватости включает: геологическое описание естественных и искусственных обнажении и измерение параметров трещиноватости с помощью горного компаса, металлической линейки, рулетки, лупы и т. п. По каждому из параметров выполняется несколько десятков измерений в пределах каждой системы трещин.
2.2. Элементы морфологии трещин, которые ни могут быть охарактеризованы соответствующими измерениями (извилистость, шероховатость поверхности, зеркала и штрихи скольжения, заполнитель, изменчивость ширины трещин) рекомендуется описывать подробнее.
2.3. Расстояния между трещинами в системах необходимо измерять по перпендикуляру к плоскостям трещин. По результатам измерения ориентировки трещин строят диаграммы трещиноватости, по которым легко определяют углы между системами трещин.
2.4. По результатам измерения других параметров можно оценить некоторые свойства горных пород в массиве, Трещинную пустотность массива П, %, определяют как суммарное отношение объема полостей трещин к общему объему массива:
(2)
где аi — расстояние между трещинами в системе, см;
bi—ширина трещин в системе, см;
n — число систем трещин.
2.5. Блочность—показатель размера блоков горной породы, разделенных трещинами, характеризуется средним поперечным размером блока абл, см, и определяется по формуле
(3)
где —средине расстояния между трещинами в системах, см.
Системы трещин нумеруются так, чтобы выполнялось соотношение
Полную характеристику блочности горных пород в массиве представляют в виде распределения по фракциям. Содержание фракций выражают в процентах от общего веса или от общего объема блоков.
2.6. При отсутствии незакрепленных обнажений горных пород сведения о трещиноватости получают по керну скважин, пробуренных в кровлю. Скважины при этом располагают под углом 30° к напластованию пород. Для подсечения всех систем трещин необходимо иметь четыре скважины, пробуренные по восстанию, падению и в две противоположные стороны по простиранию пород. Определение элементов залегания трещин производят с помощью горного компаса или специальных палеток.
2.7. Палетка представляет собой четырехугольник из прозрачной плевки, у которого основание равно длине окружности керна, а высота—произведению диаметра на тангенс угла падения трещин. Для определения условных азимутов трещин четырехугольник палетки разбит вертикальными линиями на 36 частей, которые являются десятиградусными интервалами азимутального круга. Углы градуируются слева направо. Отсчет углов падения трещин производится по горизонтальным линиям вертикальной сетки.
2.8. Для измерения условного азимута плоскости трещины и ее угла падения керн заворачивают в палетку таким образом, чтобы линия соединения ее краев, совпадающая с условным нулевым азимутом, проходила вдоль керна. Вращая палетку вокруг керна, эту линию совмещают с наиболее низкой частью какого-либо слоя. Нижняя горизонтальная линия палетки должна при этом совпадать с самой низкой точкой выхода измеряемой трещины на поверхности керна, тогда эта точка отметит на горизонтальной шкале величину условного азимута падения трещины. Самая высокая точка выхода трещины на поверхности керна отметит на вертикальной шкале палетки угол падения трещины. Истинный азимут падения трещины Аитр, град (рис. 4), определяют по измеренному условному азимуту и известному азимуту падения горных пород по формуле
(4)
где Аутр—условный азимут падения трещины, град;
Анапп — азимут падения парод, град.
2.9. Таким же способом выполняют замеры трещин по керну наклонных скважин, заданных в любом направлении. В этом случае необходимы некоторые дополнительные вычисления углов падения, так как в керне вместо них видны углы между трещинами и плоскостью, перпендикулярной к оси керна. Для преобразования видимых и измеренных палеткой углов падения в истинные необходимо знать величину угла наклона скважины, азимут этого наклона и азимут падения слоев пород, пересеченных скважиной.
Измерения параметров необходимо выполнять для толщи пород, равной двукратной ширине подземной выработки.
Рис 4. Схема к определению истинного азимута трещины
СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД1
Отбор проб для испытаний
3.1. Отбор проб для лабораторных определений механических свойств пород производится в местах, наиболее типичных для проявления горного давления. Технология отбора проб должна обеспечивать максимальное сохранение представительности породы в пробе по составу, строению и состоянию. Для этого обнажение массива в месте опробования рекомендуется предварительно зачистить.
В качестве проб используют буровые керны и монолиты, пригодные для выбуривания из них керна. Число и размеры проб следует определять в зависимости от вида намечаемых испытаний и числа изготовляемых из проб образцов, подвергаемых испытаниям (с учетом повторности испытаний для определения коэффициентов вариации показателей, характеризующих неоднородность породы).
Минимальные размеры породных кусков, пригодных в качестве пробы для механических испытаний, допускаются:
для кернов—диаметр не менее 30 мм, длина не менее 150 мм (не считая скосов у торцов);
для монолитов—не менее 200х200х150 мм, не считая мест, нарушенных при отделении от массива.
Отбор проб, их транспортирование и хранение рекомендуется производить по соответствующим ГОСТам.
3.2. Для отделения проб от массива в обнажениях не допускается применять взрывные работы и не рекомендуются резкоударные операции. Использование в качестве проб обрушенных породных кусков не допускается. При применении ударных операций (кайление и т. п.) размеры отбираемых проб увеличивают сверх предусмотренных из расчета последующей зачистки поврежденных участков пробы на глубину 5—10 см. Для отделения проб от массива рекомендуются буровые (обуривание строчками шпуров) и режущие (применение угольных пил) операции.
Для пород легко расслаивающихся и структурно нарушенных трещинами с малым сцеплением (например, аргиллиты) указанные методы отбора проб и их размеры часто практически оказываются недостижимыми. В этих случаях необходимо проводить испытания лишь упрощенными методами с пониженной надежностью и повышенной доступностью. В качестве проб допускается отбор кусков неправильной формы размером не менее 80х80х40 мм, но в большем количестве, исходя из того, что кусок указанных размеров будет использован в качестве одиночного образца для испытания упрощенным методом.
_________
1См. «Временные требования по составу и методам механических испытаний горных пород при разведке месторождений полезных ископаемых для проектирования подземной разработки». ВНИМИ, Л., 1966.
3.3. Все пробы пород, свойства которых зависят от влажности (алевролиты, аргиллиты, слабые песчаники, известняки, соляные породы) немедленно после отбора консервируют парафинированием или герметически упаковывают в полиэтиленовые мешочки, по одному куску в мешочек. Консервированные пробы породы укладывают в ящики для предохранения от толчков, ударов, падении, а также нежелательных температурных и атмосферных влияний.
Методы лабораторных определений предела прочности пород при одноосном сжатии
3.4. Одноосное сжатие— основной метод для массовых испытаний с нормальной надежностью до 95—98%.
Испытаниям подвергают цилиндрические образны (8—10 образцов из каждой пробы породы) диаметром от 30 до 60 мм (в отдельных случаях до 100 мм), высотой от 0,8 до 2,2 диаметра. Торцы образцов обрабатывают так, чтобы наибольшая стрелка их кривизны составляла не более 0,05 мм, а чистота поверхности была не ниже класса 4 (по ГОСТ 2789—73). Отклонение торцовых поверхностей от перпендикуляра к оси образца допускается в пределах 1 мм. Снижение требований к качеству торцовых поверхностей допускается при применении рифленых или наборно-шариковых подкладок. В противном случае испытательное нагружение проводят с применением на контакте стальных каленых и шлифованных плит твердостью R =54—58.
