Достоверные количественные оценки механических свойств массивов пород можно получить только из натурных экспериментов. Поскольку их проведение требует больших финансовых и материальных затрат, а также из-за большой трудоемкости, деформационные свойства массивов изучены недостаточно. Натурные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов скальных пород около выработанных пространств, проведенные Институтом горного дела УрО РАН на подземных рудниках, показывают, в частности, что нередко измеряемые приращения напряжений и смещения в массиве скальных пород имеют противоположные знаки. Такие результаты ставит под сомнение достоверность расчетов НДС массивов, требуют теоретического объяснения механизма подобных эффектов.
1. Методика натурных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов
Подробно методика экспериментально-аналитических исследований геомеханического состояния массивов на больших участках в шахтах с помощью наблюдательных станций типа "реперная линия - фотоупругие датчики" изложена у Влоха Н.П. и др., 1988. Всего за период свыше 20 лет было оборудовано более 20 таких станций на 7 шахтах в массивах с разными геомеханическими свойствами. Измерения смещений проведены с точностью 0.05 мм специально оборудованной рулеткой, приращения напряжений определяются с погрешностью 10-15%. К рассмотрению представлены результаты наблюдений по 4 станциям, сохранившимся наиболее длительное время в процессе ведения горных работ (до 3 лет). Анализ фактических и расчетных изменений НДС сделан на основе модели линейно упругой среды, так как в сравнении с ней наиболее просто проследить характер отклонения фактических параметров деформирования.
Сравнение с результатами лабораторных испытаний
С точки зрения сплошной среды физически необъяснимы отрицательные значения модулей деформации, но они вполне объяснимы, если рассматривать массив пород как деформируемую среду, находящуюся в запредельном состоянии. Логически такое определение вполне понятно, так как практически все скальные массивы являются блочными трещиноватыми средами, а образование трещин и есть критерий, характеризующий переход сплошной среды в запредельное состояние. Такая среда способна к проявлениям как положительной, так и отрицательной дилатансии, которая искажает характер деформирования среды по сравнению со сплошной.
Лабораторные исследования деформирования образцов горных пород в запредельной стадии нагружения (например, Курленя и др., 1995) и сыпучих сред (Ревуженко & Бобряков, 1994) показали, что в зависимости от пути нагружения и начальной упаковки блоков среды можно получить противоречия между задаваемыми напряжениями и смещениями, что объясняет полученные в натурных экспериментах результаты.
Некоторые частные результаты определения механических свойств массивов
Отметим некоторые частные результаты. По станции (с) тектоническая трещина испытала сдвиг на 7 мм при величине касательных напряжений менее 0.5 МПа, причем потом при снижении ?x она вернулась в начальное состояние. Очевидно, что нарушение находилось в состоянии предельного равновесия.
По станции (d) произошла разгрузка целика при смещении по тектоническому нарушению, находящемуся на контакте с висячим боком залежи. Em при разгрузке оказался в 2.5 раза больше, чем среднее статистическое значение при сжатии целика, что, конечно, является следствием гистерезиса деформирования трещин. В процессе смещений найдено по критерию Кулона-Мора, что угол внутреннего трения по нарушению ? 20°, а сцепление снизилось с 3.8 МПа до 2.5 МПа. Нарушение представлено зоной более трещиноватых пород с глинкой трения.
Все приведенные выше результаты получены при напряжениях, равных 60% - 90% от пределов прочности массивов на обнажениях.
Заключение
1. При простом пути нагружения скальный массив деформируется квазилинейно в любой момент времени с явлением гистерезиса при переходе от сжатия к разгрузке. В рассмотренном конкретном случае при разгрузке модуль деформации оказался в 2.5 раза больше чем при сжатии.
2. При сложном нагружении в разные интервалы времени массив проявляет свойства сред от жестких до пластических, а также деформируется в противоречии с изменениями напряжений в направлении измерения. Причина заключается в дилатансионном деформировании по естественным трещинам с коэффициентами поперечной деформации часто выходящими за диапазон 0 ? 0.5, характерный для сплошных сред. В условиях сложного нагружения массив можно рассматривать интегрально во времени и по объему линейно деформируемым, если во времени сохраняется тенденция к пропорциональному изменению компонент напряжений. Это ставит под сомнения правомерность реконструкции первоначальных напряжений по измерениям смещений на больших базах (метры, десятки метров и более) без непрерывного мониторинга.