Новости

Деформационные характеристики горных пород, их влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении

Работа добавлена:






Деформационные характеристики горных пород, их влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении на http://mirrorref.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова» (ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Кафедраподземной разработки месторождений полезных ископаемых

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Геомеханика»

на тему: «Деформационные характеристики горных пород, их влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении»

Выполнил: студентка 4 курса Фаткуллина Алина 

Группа: 130404.65

Проверил:Мажитов Артур Маратович

Магнитогорск

2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………...…3

1.Деформационные характеристики горных пород ……………….…………..5

2.Влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении……………………………………………………………….………8

Заключение.………………………………………………………………………15

Список литературы………………………………………………………………16

Введение

ДЕФОРМАЦИЯ горных пород (от лат. deformatio - изменение формы, искажение  а. rock deformafion; н. Deformation von Gesteinen; ф. deformation des roches; и. deformacion de las rocas) - изменение относительного положения частиц пород, вызывающее изменение размеров, объёма, формы отдельностей или участков массивов горных пород. Деформация массивов горных пород происходит в результате действия естественных статических (горного давления) или динамических нагрузок (тектонические движения - тектонические деформации; выбросов угля и газов, горных ударов и др.), а также механического нагружения, взрывных работ, термических (тепловое расширение, фазовые превращения), электрических и магнитных воздействий в процессе ведения горных работ. По физической сущности деформации разделяют на упругие, исчезающие после прекращения вызвавшей их нагрузки, пластические, если после снятия нагрузки они не исчезают, и предельные, или разрушающие, сопровождающиеся нарушением сплошности вследствие возникающих в горных породах новых поверхностей раздела и трещин. Длительное действие постоянных нагрузок приводит к постепенному росту деформации (ползучесть горной породы), при этом также наблюдается постепенный переход упругой деформации в пластическую и далее в разрушающую. По преобладающему типу деформации все горные породы подразделяются на упругохрупкие (например, кварциты, граниты), упругопластические (роговики, базальты) и пластические (мраморы, гипсы и др.). 

Выделяют 2 простейших вида деформации - линейную и сдвиговую. Линейные деформации оцениваются показателем относительной линейной деформации, равным отношению приращения линейного размера образца к исходному. Сдвиговая деформация определяется величиной угла сдвига грани образца. В большинстве случаев объёмные деформации (сжатие, изгиб, кручение и т.д.) представляют собой комбинацию простейших видов деформаций. В целом деформация образца горной породы описывается суммой векторов перемещения каждой его точки - тензором деформации, подразделяющимся на девиаторную (изменение формы) и шаровую (изменение объёма) части. Измерение деформации основано на определении смещений горных пород датчиками смещения (механическими, электрическими, магнитными, ёмкостными и др.) в лаборатории на образцах и в массивах. 

  1. Деформационные характеристики горных пород

Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пластическая деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без заметной пластической деформации. В связи с этим выделяют такие важные свойства пород, как пластичность, хрупкость и упругость.

Пластичностью горных пород называется свойство породы в известных условиях и пределах под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию (пластические деформации после снятия нагрузки) без микроскопических нарушений сплошности.

Пластичности обычно противопоставляется понятие хрупкости, т.е. способности горных пород при воздействии сил разрушаться без заметных пластических деформаций. Эти породы имеют слабую сопротивляемость разрушению при действии на них ударной нагрузки. В породах с повышенной хрупкостью усиливается эффект взрыва, но увеличиваются переборы по сечению, что приводит к лишним затратам при погрузке породы, креплении выработки и пр.

Упругость – способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки.

Проявление тех или иных свойств у горных пород в значительной мере связано с условиями нагружения. При мгновенном нагружении многие горные породы (песчаники, сланцы и др.) разрушаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместе с тем эти же породы при постепенном нагружении ведут себя как упругие тела, т.е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них проявляются остаточные деформации, т.е. породы проявляют пластичность.

Таким образом, упругость, хрупкость и пластичность имеют относительный характер.

Хрупкость и пластичность оцениваются коэффициентом пластичности (хрупкости), равным отношению общей работы деформации до разрушения Аобщ к работе упругой деформации Aупр, т.е. k = Aобщ/Аупр. Хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом k = 1. При пластических свойствах коэффициент k увеличивается.

Упругость твердых горных пород характеризуется: модулем упругости E (модуль Юнга), коэффициентом Пуассона μ, модулем сдвига G. Кроме них, иногда пользуются такими показателями, как модуль деформации Eи динамический модуль упругости Еg.

Модуль Юнга представляет собой отношение нормального напряжения (σ) к относительной деформации (ζ), Е = σ/ζу. Коэффициент Пуассона представляет собой отношение относительных деформаций – поперечной к продольной μ=ζу′/ζу. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона вычисляют по данным лабораторных испытаний пород.

Модуль сдвига может быть определен по формуле

                                                                                                   (1)

Модуль полной деформации есть отношение нормального напряжения σ к полной относительной деформации, т.е. E0= σ/ζп связан с криволинейной зависимостью между деформациями и напряжениями и с неоднородностью горных пород.

Определение упругих характеристик E и μ производится с помощью точных измерений деформации образца породы при сжатии или изгибе. На практике для этого пользуются индикаторами часового типа или же электрическими тензодатчиками сопротивления. Угол, характеризующий предельное состояние взаимодействующих частиц грунта, называется углом внутреннего трения (φ): φ = arctg fT,

где fт = Fтн – коэффициент внутреннего трения; Fт – сила трения; Рн – величина нормальной нагрузки.

Величина угла внутреннего трения зависит от размера и формы зерен,внешнего давления, воздействующего на породу, и от степени водонасыщения породы.

Величина коэффициента fт повышается с увеличением размеров и угловатости зерен, шероховатости их поверхностей, с возрастанием внешнего давления вследствие уплотнения пород. В сыпучей породе, содержащей воду в таком количестве, при котором проявляется действие капиллярных сил, коэффициент fт увеличивается. При большем содержании воды коэффициент fт уменьшается.

Значения коэффициента φ зависят от методики испытаний и величины действующих нагрузок. Для аналитических расчетов при σ12 и сжимающих напряжениях tgφ =(σ1– σ2)(γ– γ2). В случае, если σ1 – растягивающее напряжение, а σ2 – сжимающее, и σ2, то tg φ =1 + σ2)(σ– σ1).

В естественном состоянии сыпучая порода приобретает форму конуса, образующая которого находится под некоторым постоянным для данной породы углом φ к горизонтальной плоскости. Этот угол называется углом естественного откоса.

Вязкость – это сопротивление пород силам, стремящимся разъединить их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. В породах неоднородного сложения или сложных вязкость, как и твердость, меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярном к слоям. Наибольшей вязкостью обладают мелкозернистые породы.

Разрыхляемость – свойство горной породы увеличиваться в объеме при выемке ее из массива. Разрыхляемость породы характеризуется коэффициентом разрыхления kр.

Коэффициент разрыхления – это отношение объема породы в состоянии разрыхления Vр к первоначальному объему той же породы в массиве Vп, т.е. kр = Vр//Vп. Величина его всегда больше единицы и зависит как от крепости горной породы, так и от способа ее разрушения.

Разрыхляемость существенно влияет на продолжительность процесса погрузки породы. При больших значениях коэффициента разрыхления требуется загрузить большее число вагонов или бадей, произвести большее число черпаний ковшом породопогрузочной машины.

2.Влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении

Результаты натурных измерений первоначальных напряжений характеризуются большим разбросом значений в пределах одного месторождения. Это относится не только к точечным наблюдениям, но и к осредненным значениям, характеризующим различные участки массива.

Такой разброс не может быть объяснен только погрешностями эксперимента и ошибками обработки результатов. Наиболее влиятельным фактором подобной картины является неоднородность поля напряжений, обусловленная строением массива, наличием тектонических трещин и различием упругих характеристик пород, слагающих массив.

Практически все измерения напряженного состояния приурочены к участкам массива, сложенным прочными породами с низкой интенсивностью трещиноватости. Проведение экспериментов в трещиноватых, неустойчивых породах осложнено естественными причинами (разрушение керна, скважин, стенок щелей, контуров выработок и др.)

Очевидно, что такой подход при проведении измерений приводит к завышенным оценкам величин действующих напряжений, т.к. монолитные массивы имеют больший модуль деформации и являются естественными концентраторами напряжений, причем величина концентрации зависит от размеров деформационных неоднородностей, соотношения упругих характеристик и ряда других факторов. Трещиноватые участки массивов, напротив, характеризуются пониженной величиной действующих в них напряжений.

Наиболее традиционная методика обработки результатов экспериментов

заключается в усреднении измерений, полученных в различных частях месторождения на одной глубине, и построении по этим усредненным значениям зависимости изменения величин напряжений с глубиной.

Полученные зависимости потом используются в качестве граничных условий при расчетах напряженно-деформированного состояния массивов в окрестности выработок и определении запаса прочности подземных конструкций.

Однако руда и вмещающие породы в пределах шахтного поля имеют, как правило,  различные  деформационные  характеристики.  Более  того,  границы раздела (контакты) этих неоднородностей имеют настолько большие размеры, что все выработки находятся в области их влияния.

Следовательно, необходимо признать, что все измерения напряженного состояния проведены в зоне влияния деформационных неоднородностей. В случае отказа при обработке результатов измерений напряженного состояния от учета неоднородности деформационных свойств, в граничные условия решения будущих задач заранее вносятся определенные искажения.

Для иллюстрации этих положений рассмотрим результаты моделирования распределения напряжений в слоистой среде (рис. 1).

Вертикальные напряжения во всех случаях определялись весом налегающих пород МН/м3 – удельный вес пород).

Первоначальные горизонтальные напряжения,  задаваемые в виде граничных условий, рассматривались для трех вариантов:

1.,  т.е.  напряженное  состояние,  соответствующее  гипотезе Динника при коэффициенте Пуассона ;

2. , т.е. напряженное состояние, соответствующее гипотезе Гейма;

3. , т.е. в третьем варианте действует и постоянная по глубине тектоническая составляющая, равная-10 МПа.

На рис. 1 в виде графиков изменения горизонтальных напряжений с глубиной приведены результаты расчетов для случая, когда деформационные неоднородности представлены в виде пяти горизонтальных слоев мощностью по 200 м. На распределение вертикальных напряжений в этом случае неоднородность массива влияния не оказывает. Коэффициент Пуассона у всех слоев задавался одинаковым и равным , а модуль деформации возрастал с глубиной от слоя к слою от1000 до60000 МПа.

Рис.1. Изменение горизонтальных напряжений с глубиной в среде с горизонтальными границами слоев

1 – 3 – варианты задания граничных условий; 1’ – 3’ – результаты вариантов расчетов

В том случае, когда задаваемые горизонтальные нагрузки соответствуют гипотезе Динника, возмущения в распределении напряжений отсутствуют во всей расчетной области. Это подтверждает результаты теоретических исследований о распределении напряжений в окрестности слоя: величина скачка напряжений в слое при одинаковых модулях деформации слоя и вмещающих пород составляет:

                                                                                            (2)

где  и  – коэффициенты бокового распора в слое и во вмещающих породах.

В тех случаях, когда задаваемые горизонтальные напряжения превышают величину, определяемую боковым распором (варианты 2 и 3), рост горизонтальных напряжений с глубиной характеризуется большими скачками при переходе границы слоев и малым градиентом в пределах слоя. У дневной поверхности величина напряжений меньше, а на глубине – больше, чем задаваемые нагрузки.

Можно доказать, что крутопадающие пласты, а также градиентные среды (среды, в которых деформационные свойства непрерывно меняются от точки к точке) также вносят искажение в поле напряжений. На рис. 2 приведено распределение вертикальных напряжений в окрестности вертикального пласта с повышенным модулем деформации.

Рис. 2. Распределение вертикальных напряжений в окрестности

вертикального пласта при горизонтальных нагрузках

Приведенные результаты свидетельствуют, что наличие вертикально расположенного включения с повышенным модулем деформации приводит к формированию в нем повышенных вертикальных напряжений, превышающих вес налегающих пород. Необходимо также отметить, что концентрация вертикальных напряжений во включении растет со снижением модуля деформации вмещающих пород, а также при снижении горизонтальной компоненты поля исходных напряжений.

Кроме неоднородности модуля деформации пород аналогичные эффекты в распределение первоначальных напряжений вносит и неоднородность коэффициента Пуассона. Кроме того, трещины и, особенно, крупные тектонические разломы также являются деформационными неоднородностями с резко отличными от структурных блоков деформационными свойствами.

Таким образом, при решении конкретных практических задач геомеханики к заданию граничных условий следует подходить дифференцированно. Если размеры выработки таковы, что область ее влияния помещается внутри однородного массива (слоя), то в качестве граничных условий можно использовать результаты натурных измерений напряжений в этом комплексе пород. В противном  случае  для  повышения  точности  расчета  напряженно-деформированного состояния необходимо уточнить предварительно граничные условия, решив ряд задач для неоднородных массивов.

А для достоверного определения параметров поля первоначальных напряжений массива горных пород точечные измерения необходимо проводить по сетке, определяемой изменчивостью свойств пород и характеристиками трещиноватости. При этом должно быть обеспечено определенное статистическое соответствие между требуемой надежностью измерений и вариациями параметров поля напряжений в массиве, что может быть достигнуто большим числом единичных определений. При интерпретации результатов натурных наблюдений необходим учет структуры массива и его деформационных неоднородностей.

На основании вышеизложенного можно сформулировать следующий методический подход к измерению напряженного состояния и интерпретации результатов натурных экспериментов:

1. Выделить геоблоки, ограниченные нарушениями различных рангов.

2. Найти участки массива, однородные по геомеханической классификации, в которых возможно применение выбранного метода измерений напряженного состояния.

3. Составить модель массива, находящуюся внутри наибольшего геоблока.

4. Определить зоны контактов геоблоков.

5. Провести измерения в средней части блоков, т.е. на участках наименьших возмущений естественного поля напряжений. В тех же случаях, когда измерения проводятся вблизи контактных зон, учесть при интерпретации результатов, что полученные результаты могут в 2 раза отличаться от средневзвешенных величин в геоблоке.

5. Решить задачу о распределении напряжений в неоднородном блочном

массиве и найти граничные условия, соответствующие полученным результатам измерений.

Заключение

Микроструктурные деформации отдельных минеральных зёрен и кристаллов в породе изучают методами рентгеновской дифрактометрии. Характеристики деформации используют для расчёта энергоёмкости и качества разрушения горных пород, выбора способов и средств воздействия на горные породы, оценки напряжённого состояния массивов горных пород, устойчивости выработок, контроля засдвижением горных пород под воздействием горно-технологических факторов и др.

Проявления деформации в массивах и выработках (осыпи,обрушения,оползни,сдвижения,пучениегорных пород и т.д.) предотвращают креплением выработок различнойкрепью, осушением массива, использованием других технологий либо укреплением горных пород (тампонаж,замораживание, цементация, силикатизация и т.п.).

Список литературы

  1. Айтматов И.Т. Геомеханика рудных месторождений Средней Азии. - Фрунзе: Илим, 1987. - 246 с.
  2. Гудман Р. Механика скальных пород. - М.: Стройиздат, 1987. - 232 с.
  3. Ершов Л.В., Либерман Л.К. Нейман И.Б. Механика горных пород. - М.: Недра, 1987. - 192 с.
  4. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 335с.
  5. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра,1989.
  6. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1989. - 488 с.

Деформационные характеристики горных пород, их влияние на процессы деформирования горных массивов при нагружении на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат Способы разрушения горных пород. Механические разрушение горных пород

2. Реферат ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГЕОПОЛИМЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД НА СВОЙСТВА БЕТОНА

3. Реферат ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

4. Реферат Физика горных пород конспект

5. Реферат Разрушение горных пород взрывом

6. Реферат ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД - ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

7. Реферат МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

8. Реферат Управление состоянием массива горных пород

9. Реферат ГЕОПОЛИМЕРНЫЕ ВЯЖУЩИЕ НА ОСНОВЕ ЗОЛ-УНОСА И ГОРНЫХ ПОРОД

10. Реферат Методы определения относительного возраста горных пород