Об изменении физико-механических свойств горных пород с глубиной залегания

© В.Н. Попов, О.Б. Сильченко, М.С. Парамонова, 2011

УДК 622.271.3

В.Н. Попов, О.Б. Сильченко, М.С. Парамонова

ОБ ИЗМЕНЕНИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД С ГЛУБИНОЙ ЗАЛЕГАНИЯ

Приведены результаты исследований физико-механических свойств горных пород Сор-ского месторождения.

Ключевые слова: сцепление в массиве, угол внутреннего трения, плотность пород, коэффициент структурного ослабления, объемный вес, сцепление в куске, коэффициент запаса.

Свойства пород относятся к одним из основных характеристик при расчете устойчивости уступов и бортов карьера. Расчетными характеристиками являются сцепление в массиве (Ст), по контактам и трещинам пород, угол внутреннего трения (ф) и плотность пород (у).

В 1962 году Уральским филиалом ВНИМИ была выполнена работа «Исследование устойчивости бортов карьера Сорского молибденового комбината». В результате двухгодичных исследований устойчивости бортов действующего карьера, глубина которого к тому времени была уже 150 м, были определены физико-механические свойства горных пород до глубины 500 м по данным испытаний кернового материала из скважин и даны рекомендации по углам наклона устойчивых бортов карьера. Были выделены три зоны по степени выветре-лости пород.

В настоящее время известны три метода определения сдвиговой прочности по съемке оползней и обрушений, путем нагружения призм в массиве и по результатам лабораторных испытаний с последующим пересчетом с помощью коэффициента структурного ослабления.

Область применения первого метода ограничивается однородными массивами, когда получаемые данные могут быть распространены для аналогичных условий на других участках. При сложном структурно-тектоничес-ком строении массива, состоящего из разнопрочных пород, этот метод, давая интегральные показатели, не характеризует наиболее слабые поверхности и отдельные типы пород. Кроме того, в скальных и по-лускальных породах искусственное создание оползневых явлений связано с определенной опасностью ведения горных работ.

Испытание пород по второму методу может быть проведено под действием одной или двух нагрузок. Метод был широко использован при определении прочности пород ряда месторождений. Трудоемкость работ при испытаниях пород в натурных условиях существенно ограничивает масштабность применения метода.

Поэтому на данном этапе наиболее распространенным методом является третий, когда данные лабораторных испытаний образцов пересчитываются с учетом структурных ослаблений массива горных пород.

Таблица 1

Значения коэффициента структурного ослабления для различных участков Сорского карьера

Зона по глубине карьера Группа пород Среднее значение Коэффициент структурного ослабления по методу

сцепления в куске, МПа Г.Л. Фисенко Ю.И. Мартынова С.И. Попова Натурных испытаний

Верхняя Сильновыветрелые 1,4 0,17 0,03 0,3 0,13

Выветрелые 3,9 0,095 0,12 0,12 0,04

Среднее по зоне 2,6 0,1325 0,075 0,21 0,085

Средняя Маловыветрелые 18 0,03 0,07 0,2 0,012

Невыветрелые трещиноватые 20 0,06 0,09 0,08 0,03

Среднее по зоне 19 0,045 0,08 0,14 0,021

Нижняя Невыветрелые средней трещиноватости 21 0,09 0,12 0,035 0,025

Невыветрелые малой трещиноватости 23 0,136 0,15 0,2

Невыветрелые монолитные 38 0,18 0,35 0,4

Среднее по зоне 27,3 0,135 0,196 0,211 -

Таблица 2

Зоны Глубина, м Группы пород Объемный вес у, т/м3 Сцепление в куске Ск, т/м2 Угол внут-ренне-го трения ф, град. Коэффициент структурного ослабления Сцепление в массиве, Ст т/м2

Сильновыветрелые 2,38 143 36 30 0,154 0,0616 22 8,8

Верхняя 0-50 Выветрелые 2,50 390 37 30 0,082 0,0328 32 12,8

Средние 2,41 266 36,5 30 0,1018 0,0407 27 10,8

Маловыветрелые 2,62 1800 36 30 0,0283 0,0113 51 20,4

Средняя 50- 250 Невыветрелые, трещиноватые 2,68 2000 36,5 30 0,0335 0,0133 67 26,8

Средние 2,65 1900 36,25 30 0,031 0,0124 59 23,6

Невыветрелые, средней трещиноватости 2,69 2100 37 30 0,031 0,0124 65 26

Нижняя 250- 500 Невыветрелые, малой трещиноватости 2,70 2300 36,5 30 0,0374 0,0150 86 34,4

Невыветрелые, монолитные (условно) 2,72 3800 37,5 30 0,0321 0,0128 122 48,8

Средние 2,703 2733 37 30 0,0333 0,0133 91 36,4

На основе результатов большого чис- турных испытаний Г.Л. Фисенко ла проведенных в различных условиях на-

Таблица 3

Расчетные характеристики физико-механических свойств горных пород для определения параметров устойчивых бортов

Зоны Глубина, м Группы пород Показатели с учетом коэффициента запаса пс=1,641 и пф=1,312

у, т/м3 Сср, т/м2 ф,град

Верхняя 0-50 Сильновыветрелые 2,38 13,4 29,66

Выветрелые 2,50 19,5 30,55

Средние 2,41 16,45 30,10

Средняя 50-250 Маловыветрелые 2,62 31,06 29,70

Невыветрелые, трещиноватые 2,68 40,08 29,95

Средние 2,65 35,57 29,63

Нижняя 250-500 Невыветрелые, средней трещиноватости 2,69 39,55 30,55

Невыветрелые, малой трещиноватости 2,70 52,35 29,92

Невыветрелые, монолитные (условно) 2,72 74,3 30,75

Средние 2,703 55,4 30,4

Таблица 4

Расчетные показатели физико-механических свойств пород для расчета параметров устойчивых уступов

Зоны Глубина, м Группы пород Коэффициент запаса т/м3

п=1,0 п=2,0

Сш т/м2 ф, град. Сш, т/м2 ф, град.

Верхняя 0-50 Сильновыветрелые 22 8,8 36 30 11 4,4 20 16 2,38

Выветрелые 32 12,8 37 30 16 6,4 20,5 16 2,50

Средние 27 10,8 36,5 30 13,5 5,4 20,25 16 2,44

Средняя 50-250 Маловыветрелые 51 20,4 36 30 25,5 10,2 20 16 2,62

Невыветрелые, трещиноватые 67 26,8 36,5 30 33,5 13,4 20,25 16 2,68

Средние 59 23,6 36,25 30 29,5 11,8 20,15 16 2,65

Нижняя 250-500 Невыветрелые, средней трещиноватости 65 26 37 30 32,5 13 20,5 16 2,69

Невыветрелые, малой трещиноватости 86 34,4 36,5 30 43 17,2 20,25 16 2,70

Невыветрелые, монолитные (условно) 122 48,8 37,5 30 61 24,4 21 16 2,72

Средние 91 36,4 37 30 45,5 18,2 20,5 16 2,708

По сплошным трещинам Контакты трещин заполнены глинкой - - 3,5 13 -

Контакты трещин незаполненные глинкой - - 1,0 25 -

предложена эмпирическая формула для определения коэффициента структурного ослабления, которая нашла распространение в практике инженерных расчетов, так как проста в использовании и дает приемлемые результаты.

Обобщив результаты лабораторных и промышленных исследований, Ю.И. Туринцев разработал методику определения сцепления в массиве, которая учитывает угол между направлением среза и направлением трещиноватости, расстояние от точки массива до места проведения взрывных работ, зону максимального нарушения прочности в прибортовом массиве, направление ведения взрывных работ, что является существенным вкладом в решение вопроса комплексного учета геологических и технологических факторов при определении свойств в массиве.

Следует отметить, что разработанные методы дают результаты, отличающиеся между собой в 2-4 раза (табл. 1).

Как видно из таблицы, наиболее близки к данным натурных испытаний результаты, полученные по методу Г.Л. Фисенко.

На основе анализа погрешностей возникающих при определении физикомеханических свойств пород [1] были установлены показатели физикомеханических свойств горных пород, приведенные в табл. 2, а для определения углов наклона бортов карьера в табл. 3.

Исходя из точности определения физико-механических свойств горных пород нами установлено, что коэффициенты запаса для сцепления и угла внутреннего трения различны. С учетом анализа точности было определено, что для расчета устойчивости бортов коэффициент запаса для сцепления составлял 1,641, а для угла внут-

реннего трения 1,312. Это нашло отражение в табл. 3.

Исследованиями установлено и практикой проверено, что при расчете устойчивых параметров приконтурных уступов следует коэффициент запаса брать равным 2 и более [1,2]. Поэтому при оценке устойчивости нерабочих уступов южного борта карьера были рассчитаны физико-механические свойства пород с коэффициентом запаса равным 2.

На численные значения физикомеханических свойств пород существенное значение оказывает направление и характер трещиноватости. Поэтому по направлениям, совпадающим с элементами залегания трещин принято сцепление в 2,5 раза меньше относительно благоприятного расположения трещин (табл. 4).

По всем профилям на участках формирования временно нерабочих бортов были отобраны образцы пород и испытаны в соответствии с ГОСТом 21153.475.

Результаты определения физикомеханических свойств 1180 образцов пород приведены в табл. 5 и 6.

Из таблиц 5 и 6 следует, что плотность, сцепление и угол внутреннего трения изменяются с глубиной залегания пород согласно ранее установленным нами закономерностям, которые имеют вид уравнений: у = 2,43 + 0,0363Н032 с = 0,3 + 1,1Н0’995 ф = 36 + 0,0025Н

где у - плотность, т/м ; с - сцепление в куске, МПа • 10-1; ф - угол внутреннего трения, град.; Н - глубина, м.

Корреляционное отношение для плотности и сцепления составляет соответственно 0,88-0,87. Для угла внутреннего трения коэффициент корреляции

0,69.

112

Таблица 5

№ профиля Номер горизонта и мешка &раст., МПа Коэф. вариации, % &сж., МПа Коэф. вариации, % Сцепление Со, МПа Угол внутреннего трения, Ф0о Условное сцепление ск МПа Угол внутреннего трения Фо

1 Гор. 640 Меш. 1 11,5±1,99 17,3 97±24,3 25,0 17 45 29 35

Гор. 690 Меш. 62 14,0±2,91 20,8 132±8,58 6,5 23 38 35 37

Гор. 710 Меш. 63 11,6±1,93 16,6 111±7,05 6,4 20 50 32 36

Гор. 720 Меш. 56 14,4±2,9 20,2 109±14,4 13,2 23 36 26 37

Гор. 770 Меш. 31 1,46±0,204 14,0 17,7±2,24 12,6 3 47 5 38

Гор. 770 Меш. 41 17,7±3,27 18,5 181±16,8 9,3 30 46 53 38

2 Гор. 690 Меш. 53 21,9±2,84 13 197±21,5 11 40 51 50 31

Гор. 690 Меш. 60 16,7±3,59 21 168±11,4 7 30 54 43 34

Гор. 710 Меш. 54 13,9±1,59 11 142±16,2 12 26 49 37 38

Гор. 750 Меш. 64 11±2,2 20 131±12,6 9,6 22 55 36 39

3 Гор. 550 Меш. 15 18,1±3,29 18 171±31,2 18 31 55 48 35

Гор. 550 Меш. 17 14,3±2,52 18 123±26,3 21 24 48 39 34

Гор. 580 Меш. 13 16,3±2,88 18 140±16,72 12 27,5 48 40 35

Гор. 580 Меш. 25 20±3,07 15 190±25,1 13 35 50 50 35

Гор. 640 12,3±1,68 14 131±14,89 11 23 49 37 37

36

38

29

39

38

36

34

36

37

38

38

34

35

37

37

35

11,6±1,54

13

131±12,2

9,3

22

52

36

7,14±1,23

14

73,3±10

14,6

13,5

51

20

11,8±2,31

20

139±20,6

15

23

44

36

11,5±1,26

11

111±10,7

9,6

21

52

31

14,7±4,63

32

157±30,2

19

26

54

43

14,7±4,48

30

140±22,7

16

27

46

50

13,0±1,31

10

128±12,8

10

24

54

36

15,7±2,63

18

160±20,1

13

29

49

43

11,5±2,56

22

115±7,70

6,7

21

52

31

14,2±1,16

8,2

141±14,3

10

26

52

38

14,2±2,16

15

139±14,5

10

25

50

38

22,6±3,93

17

178±34,7

19

26

48

50

11,3±2,64

23

120±23,6

20

22

52

36

10,8±1,8

17

112±13,0

12

20

52

36

14,3±4,52

32

130±10,3

7,9

25

51

31

114 ИЗ

5 Гор. 550 33

8,997±1,5 16,9 66,70±12,0 18,1 13 48 20

Меш. 23

Продолжение таблицы 5

Гор. 550 Меш. 65 12,86±2,3 17,7 117,77±17,3 14,7 21 51 31 36

Гор. 580 Меш. 2 14,88±4,5 30,5 121,59±18,0 14,8 23 51 37 34

Гор. 580 Меш. 38 17,66±6,3 35,5 90,41±17,4 19,3 21 40 26

Гор. 590 Меш. 21 12,10±2,5 20,8 102,88±29,6 28,8 20 48 29 35

Гор. 590 Меш. 39 16,26±4,0 24,6 151,98±42,4 27,9 29 52 42 37

Гор. 600 Меш. 66 12,95±6,5 50,0 93,74±33,7 36,0 20 48 28 33

Гор. 600 Меш. 67 12,51±3,4 27,55 88,45±24,8 28,0 19 48 27 31

Гор. 610 Меш. 19 12,32±2,2 17,9 98,99±34,3 34,7 19 49 27 33

Гор. 610 Меш. 51 13,9±3,1 22,4 123,5±42,8 34,6 24 53 34 35

Гор. 640 Меш. 4 16,29±2,5 15,3 112,63±30,9 27,4 20 47 22 35

Гор. 970 Меш. 44 12,93±3,2 25,0 117,92±33,8 28,7 22 43 31 36

Гор. 670 Меш. 46 11,34±3,3 28,99 106,49±36,0 33,8 19 54 28,5 36

6 Гор. 550 Меш. 35 11,11±4,6 41,3 112,23±22,5 20,0 20 52 22 36

Гор. 550 9,30±2,7 29,3 93,41±37,2 39,8 17 54 26 36

115

Mеш. 49

Гор. 570 Mеш. 34 12,55±2,6 21,7 112,84±28,5 25,3 21 51 30 33

Гор. 570 Mеш. 48 8,68±1,9 21,9 125,39±40,4 32,2 20 54 38 38

Гор. 590 Mеш. 16 10,57±3,8 36,2 163,66±38,0 23,2 25 54 51 32

Гор. 590 Mеш. 26 10,68±3,3 30,7 152,92±28,4 18,6 20 57 42 41

Гор. 590 Mеш. 28 11,94±3,5 29,6 92,55±25,6 27,7 18 54 25 33

Гор. 610 Mеш. 8 16,45±2,4 14,4 171,22±43,8 25,6 30 52 46 38

Гор. 610 Mеш. 27 17,53±2,1 11,8 114,22±33,7 29,6 26 49 32 31

Гор. 610 Mеш. 36 9,02±1,8 19,7 53,77±11,4 21,3 11 43 17 28

Гор. 620 Mеш. 68 15,53±2,8 18,6 146,70±30,7 20,9 27 50 37 38

Гор. 640 Mеш. 11 13,53±4,9 36,8 110,35±31,0 28,1 22 50 30 36

Гор. 640 Mеш. 37 8,85±2,9 33,7 61,63±12,2 19,9 14 49 19 27

Гор. 350 Mеш. 12 12,27±3,5 28,9 108,28±20,4 18,8 20 51 31 35

Гор. 650 Mеш. 33 9,38±4,0 42,7 117,85±38,8 32,9 17,5 56 35 40

Таблица 6

Физические свойства пород

№ п/п № профиля Высотная отметка горизонта Номер мешка Плотность кг/м3 Влажность, %

в естественном состоянии в сухом состоянии

1 5 550 23 2600 2523 3,05

2 5 550 65 2547 2516 1,23

3 5 580 2 2634 2589 1,74

4 5 580 38 2761 2676 3,06

5 5 590 21 2546 2513 1,30

6 5 590 39 2628 2616 0,46

7 5 600 66 2562 2546 0,63

8 5 600 67 2658 2624 1,30

9 5 610 19 2562 2497 2,60

10 5 610 51 2755 2745 0,36

11 5 640 4 2718 2630 3,35

12 5 670 44 2617 2557 2,35

13 5 670 46 2567 2538 1,14

14 6 550 35 2856 2782 2,70

15 6 550 49 2634 2577 2,21

16 6 570 34 2517 2476 1,70

17 6 570 48 2553 2539 0,55

18 6 590 16 2509 2499 0,40

19 6 590 26 2545 2524 0,83

20 6 590 28 2806 2782 0,86

21 6 610 8 2581 2562 0,74

22 6 610 27 2804 2764 1,45

23 6 610 36 2574 2514 2,39

24 6 620 68 2757 2739 0,66

25 6 640 11 2614 2564 1,95

26 6 640 37 2673 2620 2,0

27 6 650 12 2763 2733 1,1

28 6 650 33 2585 2572 0,40

Таблица 7

Физико-механические свойства пород в массиве уступов

Номер профиля Горизонты, м Плотность пород, т/м3 Сцепление в куске, МПа Угол внутреннего трения, ф,град Коэффициент структурного ослабления Сцепление в массиве, С, '-м*

1 770-570 2,64 30 18 0,012 0,36

2 770-560 2,61 41,5 18 0,012 0,498

3 690-550 2,63 37,3 18 0,012 0,45

4 640-590 2,66 38,9 18 0,012 0,466

5 670-550 2,63 31,8 18 0,012 0,382

6 650-550 2,65 32,06 18 0,012 0,384

По сплошным тре- Контакты трещин запол- 16 - 0,100

щинам [9] ненные глинкой трения

Контакты трещин не за- 18 - 0,01

полненные глинкой тре-

ния

Это говорит о надежности связей. Если учесть, что глубина отсчитывается от максимальной отметки рельефа местности расположения карьера, то значения показателей физико-механических свойств пород относятся, согласно принятой классификации, к средней и нижней зонам. Более того определенные сейчас прочностные свойства в средней и нижней зонах оказались выше, чем было определено ранее (см. табл. 2 и 5).

С учетом отмеченной трещиноватости на карьере коэффициент структурного ослабления равен 0,012, что соответствует табл. 2 для средней и

1. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: ВНИМИ, 1972, 165 с.

2. Временные методические указания по

управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии. - М.: Минцветмет

СССР, Унипромедь, 1989г., 128 с.

нижней зоны. Тогда с учетом отмеченных выше условий, количественные характеристики пород в массиве по принятым профилям будут иметь значения, приведенные в табл. 7. Принятый угол внутреннего трения 18° по контактам слоев при ровной гладкой поверхности и отсутствии заполнителя соответствует группе пород гранодиори-там, гранодиорит-порфиритам, сиенитам и диоритам [1]. При заполнителе трещин глинкой трения, значения сцепления и угла внутреннего трения приняты согласно данным ВНИМИ [1].

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Попов В.Н., Ильин А.И. Устойчивость бортов карьеров. М.: МГИ, 1991. - 109 с.

4. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., Недра, 1965.

5. Попов В.Н., Несмеянов Б.В., Попова О.В. Конструкции нерабочих бортов карьеров. М., Изд-во НИА- Природа, 1999-148 с. їШїї

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Попов В.Н. - декан, зав. кафедрой, профессор, доктор технических наук кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, mdg@msmu.ru Сильченко О.Б. - профессор, доктор технических наук кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, mdg@msmu.ru

Парамонова М.С. - аспирант кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» Московского государственного горного университета, paramonovagg104@mail.ru Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru