Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf
Р
АЗДЕЛ
4
70
пользовать
удельные
характеристики
материала
,
такие
,
например
,
как
предел
прочности
на
одноосное
сжатие
,
растяжение
,
сдвиг
и
т
.
п
.
Непременным
условием
,
которое
должно
обеспечивать
подобное
дефор
-
мирование
,
является
идеальная
однородность
и
изотропность
материала
срав
-
ниваемых
геометрически
подобных
тел
.
Реальные
же
материалы
и
среды
,
с
ко
-
торыми
сталкивается
человек
в
своей
деятельности
,
чаще
всего
обладают
опре
-
деленной
неоднородностью
внутреннего
строения
(
структуры
).
В
связи
с
этим
и
некоторыми
другими
причинами
практический
опыт
получения
удельных
ха
-
рактеристик
различных
материалов
на
геометрически
подобных
образцах
пока
-
зал
,
что
наряду
с
фактами
,
подтверждающими
закон
подобия
,
имеет
место
и
существенное
отклонение
от
него
.
Особенно
велико
оно
при
испытаниях
гор
-
ных
пород
,
обладающих
значительной
неоднородностью
структуры
.
4.2.
Неоднородность
горных
пород
Состояние
породного
массива
определяется
совокупностью
внутренних
свойств
:
плотности
,
влажности
,
внутренней
энергии
,
теплопроводности
и
внешних
условий
:
величины
объемных
и
поверхностных
сил
,
температуры
,
времени
и
характера
приложения
нагрузок
.
В
зависимости
от
этих
условий
горные
породы
разнятся
между
собой
условиями
залегания
,
составом
,
структу
-
рой
,
механическим
состоянием
.
Сложный
характер
неоднородности
горных
по
-
род
связан
как
с
неоднородностью
исходного
материала
,
так
и
с
его
последую
-
щими
преобразованиями
.
Поэтому
считается
,
что
горная
порода
–
это
среда
,
неоднородная
по
структуре
,
текстуре
и
свойствам
[144].
Неоднородность
горных
пород
проявляется
посредством
изменчивости
их
физических
свойств
и
вещественного
состава
в
пространстве
.
Эти
изменения
могут
создавать
анизотропию
,
образовывать
физические
границы
раздела
,
вы
-
зывать
случайные
вариации
значений
изучаемых
параметров
физических
по
-
лей
.
Имеется
много
форм
нарушений
породного
массива
,
связанных
с
генези
-
сом
пород
,
последующими
дислокациями
(
дизъюнктивными
и
пликативными
),
О
ЦЕНКА
ПРОЧНОСТИ
НЕОДНОРОДНЫХ
СРЕД
С
ДЕФЕКТНОЙ
СТРУКТУРОЙ
71
интрузиями
и
денудацией
[145].
Наиболее
важными
из
них
являются
слои
-
стость
,
микро
-
и
макротрещиноватость
,
наличие
зон
дробления
,
рассланцева
-
ния
,
даек
,
включений
,
изменений
элементов
залегания
(
например
,
углов
паде
-
ния
,
мощности
),
непостоянство
сил
связей
по
контактам
между
различными
породами
и
прочее
.
Для
оценки
степени
неоднородности
породных
массивов
используют
фор
-
мальное
описание
с
помощью
геометризации
их
элементов
,
а
также
применяют
качественные
характеристики
неоднородности
.
Такой
подход
позволяет
клас
-
сифицировать
естественные
неоднородности
горных
пород
(
массивов
)
и
пред
-
ставить
их
следующими
порядками
или
уровнями
(
рис
. 4.1):
1 –
микроскопический
:
среда
рассматривается
на
уровне
кристаллов
,
размер
элементов
неодно
-
родностей
составляет
10
-8
–
10
-5
м
;
2 –
субмакроскопиче
-
ский
:
среда
рассматривается
на
уровне
элементарного
объема
литологической
раз
-
ности
,
размер
элементов
не
-
однородностей
составляет
10
-5
– 10
-2
м
;
3 –
макроскопический
:
среда
рассматривается
на
структурном
уровне
,
размер
элементов
неоднородностей
составляют
10
-2
– 10
1
м
;
4 –
мегаскопический
:
среда
рассматривается
как
сложноструктурное
образование
,
обладающее
тек
-
стурой
и
находящееся
под
действием
гравитационных
и
тектонических
сил
,
размер
элементов
неоднородностей
составляет
более
10,0
м
.
Рис
. 4.1.
Уровни
неоднородности
в
породных
массивах
: 1 –
микроскопический
; 2 –
субмак
-
роскопический
; 3 –
макроскопический
; 4 –
ме
-
гаскопический
Р
АЗДЕЛ
4
72
Очевидно
,
что
понятие
неоднородности
относительно
.
В
зависимости
от
геометрических
размеров
рассматриваемой
области
массива
и
уровня
силового
воздействия
на
эту
область
может
быть
весомым
тот
или
иной
порядок
неодно
-
родности
.
В
частности
,
при
решении
некоторых
задач
,
связанных
с
оценкой
ус
-
тойчивости
горных
выработок
,
область
воздействия
эксперимента
такова
,
что
неоднородностями
первого
и
второго
порядков
можно
пренебречь
и
ввести
до
-
пущение
о
его
квазиоднородности
на
этом
уровне
.
По
отношению
к
неоднород
-
ностям
третьего
и
четвертого
порядков
такое
допущение
спорно
и
требует
серь
-
езного
обоснования
в
зависимости
от
целей
исследований
.
К
основным
геологическим
факторам
,
определяющим
поведение
пород
и
влияющим
на
устойчивость
горных
выработок
,
относятся
:
слоистость
и
рас
-
слоение
пород
,
трещиноватость
пород
и
угольного
пласта
,
тектонические
на
-
рушения
,
обводненность
массивов
,
литологический
состав
вмещающих
пород
и
их
физико
-
химические
свойства
,
мощность
,
угол
падения
и
текстура
угольного
пласта
,
его
физико
-
механические
свойства
.
Степень
влияния
перечисленных
факторов
на
устойчивость
породных
обнажений
различна
.
Также
различен
и
уровень
изученности
этого
влияния
.
Последнее
обстоятельство
связано
с
раз
-
личной
возможностью
проведения
наблюдений
в
натурных
условиях
,
поста
-
новки
лабораторных
экспериментов
,
выполнения
аналитических
исследований
.
Устойчивость
кровли
в
угольных
шахтах
зависит
от
мощности
пластовой
отдельности
,
которая
тесно
связана
со
слоистостью
.
По
ней
отходят
крупные
слои
породы
,
которые
затем
подвергаются
дальнейшему
расслоению
.
Слои
-
стость
следует
отнести
к
неоднородностям
третьего
и
четвертого
уровней
.
Влияние
слоистости
на
устойчивость
горных
выработок
достаточно
хорошо
изучено
.
Разработана
общая
классификация
горных
пород
по
слоистости
и
,
в
частности
,
классификация
слоистых
пород
кровли
угольных
пластов
по
их
строению
[145],
учитывающая
характер
обрушения
пород
слоя
.
Гораздо
менее
изучено
влияние
на
устойчивость
выработок
трещиновато
-
сти
пород
и
углей
,
которую
также
следует
отнести
к
неоднородностям
тетьего
и
четвертого
уровней
в
зависимости
от
размеров
трещин
и
области
их
распро
-
О
ЦЕНКА
ПРОЧНОСТИ
НЕОДНОРОДНЫХ
СРЕД
С
ДЕФЕКТНОЙ
СТРУКТУРОЙ
73
странения
.
Трещины
,
наблюдаемые
в
горных
породах
,
принято
делить
по
гене
-
тическому
признаку
на
три
типа
:
а
)
естественные
(
прирожденные
,
первичные
) –
возникающие
в
процессе
формирования
породных
толщ
;
б
)
тектонические
–
образовавшиеся
в
результате
горообразовательных
процессов
;
в
)
искусственные
–
появляющиеся
в
процессе
осуществления
подготови
-
тельных
и
очистных
работ
в
шахтах
,
буровзрывных
работ
и
образования
зако
-
лов
,
а
также
вследствие
других
причин
.
Из
имеющихся
генетических
классификаций
трещин
наиболее
универ
-
сальной
является
классификация
,
предложенная
В
.
В
.
Белоусовым
.
Несколько
измененная
для
более
удобного
практического
использования
,
эта
классифика
-
ция
выглядит
следующим
образом
[146].
1.
Нетектонические
трещины
:
-
первичные
(
естественные
,
прирожденные
)
трещины
;
-
трещины
выветривания
;
-
трещины
оползней
,
обвалов
и
провалов
;
-
трещины
расширения
пород
при
разгрузке
;
-
искусственные
трещины
.
2.
Тектонические
трещины
:
-
трещины
с
разрывом
сплошности
пород
;
-
кливаж
.
Из
нетектонических
трещин
основное
значение
имеют
первичные
(
естест
-
венные
,
прирожденные
),
как
повсеместно
распространенные
и
определяющие
строение
породного
массива
.
При
повсеместном
распространении
первичных
трещин
в
осадочных
породах
наиболее
четко
они
выражены
в
областях
с
гори
-
зонтальным
залеганием
.
Первичные
трещины
не
пересекают
сколько
-
нибудь
мощные
слои
пород
,
а
тесно
связаны
с
отдельными
литологически
однородны
-
ми
слоями
.
По
отношению
к
слоистости
прирожденные
трещины
могут
распо
-
лагаться
различно
,
но
преимущественно
они
являются
нормальносекущими
Р
АЗДЕЛ
4
74
трещинами
отрыва
.
В
совокупности
такие
трещины
ограничивают
блоки
(
от
-
дельности
)
в
форме
различных
многогранников
.
В
мергелях
и
глинах
эти
тре
-
щины
могут
образовывать
и
более
сложные
контуры
.
По
своим
морфологическим
признакам
и
положению
в
пространстве
есте
-
ственные
трещины
подразделяются
на
три
вида
:
-
основные
;
-
торцевые
;
-
параллельные
напластованию
пород
.
Основная
трещиноватость
имеет
субмеридианальное
простирание
,
торце
-
вая
–
субширотное
.
Угол
между
этими
основными
направлениями
трещин
ко
-
леблется
от
60
до
90
градусов
.
Основные
трещины
чаще
бывают
перпендику
-
лярными
или
почти
перпендикулярными
к
плоскости
наслоения
пород
(85–90
0
).
Торцевые
имеют
б
ó
льшее
отклонение
от
перпендикулярности
и
достигают
60
0
.
Наибольшее
практическое
значение
имеет
основная
,
наиболее
ярко
выражен
-
ная
,
прирожденная
трещиноватость
,
по
которой
породы
легко
распадаются
.
Направление
основных
трещин
отличается
значительной
выдержанностью
.
Торцевая
трещиноватость
проявляется
обычно
слабо
и
имеет
второстепенное
значение
.
Расположение
торцевых
и
основных
трещин
в
породе
определяет
форму
пластовой
отдельности
.
Тектонические
трещины
развиваются
в
горных
породах
под
влиянием
тек
-
тонических
сил
,
проявляющихся
в
земной
коре
в
процессе
ее
эволюции
.
Возни
-
кающие
при
этом
деформации
почти
всегда
сопровождаются
развитием
в
гор
-
ных
породах
трещин
,
образующихся
как
на
сравнительно
малых
площадях
,
так
и
на
огромных
пространствах
[147].
Отличие
их
от
нетектонических
трещин
за
-
ключается
,
прежде
всего
,
в
том
,
что
тектонические
трещины
обладают
большей
выдержанностью
в
ориентировке
и
развиваются
сравнительно
одинаково
в
раз
-
личных
по
составу
породах
.
В
областях
,
претерпевших
тектонические
наруше
-
ния
,
направления
основной
и
торцевой
прирожденной
трещиноватости
не
-
сколько
отличаются
от
субмеридианального
и
субширотного
направления
.
Тек
-
тонические
трещины
наклонены
к
плоскостям
напластования
под
разными
уг
-