Общие положения. 
Методы определения свойств горных пород

С учётом изложенных ранее представлений о иерархично-блочной структуре горных пород и массивов и принципиально возможных двух путей определения различных характеристик — интегрального и дифференциального рассмотрим более детально принципы определения отдельных свойств.

В частности, для изучения плотностных характеристик целесообразно применять как первый, так и второй путь определения свойств многокомпонентных сред, поскольку им присущи свойства «аддитивности — независимости — равноправности», т. е. все компоненты действуют равноправно и независимо друг от друга, а интегральная характеристика агрегата является средневзвешенным из характеристик каждой компоненты, в данном случае структурных блоков и структурных неоднородностей.

Таким образом для определения интегральных плотностных характеристик массива, представленного различными петрографическими разновидностями пород и различными типами структурных неоднородностей, в принципе достаточно определить эти характеристики для каждой разновидности пород и для каждого типа структурных неоднородностей (раздельно или в какой-либо совокупности), а затем найти их средневзвешенное значение в зависимости от степени распространённости указанных компонент в массиве.

Деформационные и, в частности, упругие характеристики горных пород, в отличие от плотностных, обусловливаются не только свойствами отдельных разновидностей пород, слагающих массив, но и свойствами их контактов, а потому и особенностями взаимного расположения слагающих компонент. Именно вследствие этого для деформационных показателей справедлива схема"аддитивности — взаимозависимости — равноправносги". Аддитивность влияния неоднородностей в этом случае проявляется в суммарном вкладе каждой из компонент, при этом вполне очевидна и их равноправность. Вместе с тем, например, для упругих колебаний интегральная скорость прохождения упругих волн в многокомпонентной среде не является усредненным значением скоростей волн в отдельных компонентах.

Вследствие отмеченной особенности для определения скоростей прохождения упругих колебаний также целесообразен первый путь получения информации о физических характеристиках многокомпонентной среды. Однако, в отличие от плотностных характеристик, и именно из-за свойства «взаимозависимости» в сферу экспериментов при этом необходимо вовлекать объемы массива, где обеспечивается представительность интересующих порядков структурных неоднородностей.

Например, применительно к вопросам оценки устойчивости буровых скважин в сферу экспериментов должны быть вовлечены структурные неоднородности IV — го порядка, и определение деформационных характеристик в этом случае возможно выполнять на образцах-цилиндрах стандартных размеров — с диаметром 40−45 мм и высотой, равной 1−2 диаметрам.

В то же время для решения задач оценки устойчивости горных выработок в экспериментах должны проявлять себя структурные неоднородности более низких порядков — до II включительно. Здесь уже нельзя ограничиваться испытанием образцов, необходима постановка специальных измерений непосредственно в натурных условиях.

В отличие от плотностных и деформационных характеристик прочностные свойства подчиняются схеме «избирательности-независимости», поскольку разрушение происходит в наиболее слабом звене и не зависит от прочности других структурных элементов. В соответствии с двухкомпонентной моделью строения массива скальных пород наиболее слабым звеном является «структурная неоднородность», причем в зависимости от масштаба рассматриваемых объектов разрушение будет определяться различными порядками структурных неоднородностей — от IV — го для буровых скважин до II — го включительно — для крупногабаритных подземных сооружений. Отсюда возникает задача применительно к каждому типу рассматриваемых сооружений определять прочностные характеристики тех структурных неоднородностей, которые в данном случае оказывают основное влияние на устойчивость объектов (т.е. эффективных структурных неоднородностей).

Поскольку вид, размеры и свойства структурных неоднородностей отдельных порядков резко отличаются друг от друга, применяют различные методические подходы для экспериментального определения прочностных характеристик. В частности, для структурных неоднородностей IV — го порядка определения ведут путем испытания образцов горных пород в виде цилиндров или призм.

К образцам предъявляются требования достаточной представительности и однородности, с тем чтобы они не включали структурных неоднородностей других, более низких порядков. Последнее требование обычно достигается путем применения весьма небольших по размерам (стандартных) образцов, а также путем статистического анализа получаемых результатов с отбраковкой резких выбросов в получаемых значениях характеристик. При этом в силу принципа «избирательности» разрушение образцов происходит именно по структурным неоднородностям 1У порядка, и получаемые результаты можно уверенно относить к этому типу.

Для структурных неоднородностей III — го порядка представительными, как правило, являются объемы с существенно большими линейными размерами (50−100 см). В принципе и в этом случае испытания могут быть проведены на образцах соответствующих больших размеров, но это требует специального камнерезного и уникального силового оборудования. Вследствие этого при изучении уже III, а тем более II порядка структурных неоднородностей путь испытания образцов становится малоприемлемым и более целесообразно применять метод непосредственного определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородностей того или иного порядка. При этом для правильного последующего применения полученных результатов необходимо знать геометрические характеристики и закономерности расположения в пространстве отдельных структурных неоднородносгей. Вследствие этого их изучение целесообразно начинать с установления их геометрических параметров.

Изучение закономерностей пространственного расположения структурных неоднородностей должно сопровождаться изучением вида заполнения и характера контактирующих поверхностей структурных неоднородностей. Ведь именно от вида и состояния минералов — заполнителей трещин или других типов структурных неоднородностей, а также от степени шероховатости и извилистости поверхностей контактов зависят механические характеристики по поверхностям структурных неоднородностей.

В отличие от геометрических параметров более сложную и существенно менее разработанную задачу представляют собой методы определения прочностных характеристик по поверхностям структурных неоднородноcтей низких порядков. При этом, поскольку с физической точки зрения разрушение материалов вообще и горных пород, в частности, происходит либо под воздействием растягивающих напряжений в форме отрыва, либо вследствие касательных напряжений в форме сдвига (скола), наибольший интерес представляет определение пределов прочности при одноосном растяжении [?_р], сцепления [?] и ? — углов внутреннего трения. В условиях, когда необходимо принимать во внимание взаимные подвижки отдельных структурных блоков, существенное значение приобретает характеристика f — коэффициент трения (внешнего) породы о породу по контактам структурных неоднородностей.

Методы определения конкретных свойств пород рассмотрим раздельно:

при вовлечении в эксперименты сравнительно небольших объёмов пород, т. е с учётом структурных неоднородностей высших порядков;

при исследованиях больших областей массива, охватывая тем самым низкие порядки структурных неоднородностей.