Деформирование горных пород

Экспериментально установлены следующие факты. Деформирование горных пород (образцов ГП) по мере возрастания действующих сжимающих нагрузок определяется закрытием внутренних микротрещин, деформированием минерального скелета, образованием ростом микротрещин. Деформируемость горных пород как минеральных агрегатов определяется деформируемостью минеральных зерен, их размерами. контактами, ориентацией, взаимным расположением.

Разрушение ГП начинается в результате возникновения микротрещин обычно на границах минеральных зерен. Начало трещинообразования наблюдается на уровне нагрузок меньше предела мгновенной прочности и соответствует уровню длительной прочности горных пород на одноосное сжатие. Процесс трещинообразования при уровне нагрузок больше длительной прочности развивается лавинообразно и заканчивается разрушением горных пород. Длительность этого процесса зависит от уровня действующих нагрузок в интервале от длительной до мгновенной прочности. Разрушение образцов ГП заканчивается образованием магистральных трещин, направление которых при одноосных сжимающих напряжениях совпадает с направлением максимального сжимающего напряжения.

Определяющими факторами внутреннего механизма деформирования и разрушения ГП являются особенности их минерального строения; неоднородность, анизотропия минеральных зерен, их взаимное расположение и ориентация.

При внешнем одноосном сжатии ГП, направленные по оси X, слагающие ее минеральные зерна находятся в сжатом напряженном состоянии. В зависимости от их ориентации и деформационных характеристик они могут испытывать сжимающие напряжения, превышающие внешнюю нагрузку, и растягивающие напряжения, примерно на порядок меньше, чем абсолютная величина внешней нагрузки, причем растягивающие напряжения действуют по площадкам, параллельным направлениям внешней сжимающей нагрузки.

Эти растягивающие напряжения, достигая прочности ГП на растяжении (по минеральным зонам или межзоновым связям), являются причиной образования трещин, ориентированных по направлению внешней сжимающей нагрузки и приводящих в конечном счете к разрушению нагруженного объема породы. Такой механизм хрупкого разрушения ГП с образованием трещин, ориентированных по направлению максимальной сжимающей нагрузки, часто наблюдается в паузе(разрушение ГП вокруг выработок, в приконтурной части целиков и т.д.)

Остановимся более подробно на описании этого механизма разрушения, который включает в себя следующие последовательные этапы: зарождение микротрещин, их развитие и ветвление, образование макротрещин и распространение последних до полного разрушения ГП в результате разделения нагруженного объема на части. Необходимо отличать локальность такого механизма разрушения: при образовании и развитии микротрещин определяющую роль играют механические свойства небольших объемов породы, расположенных на пути трещин, а не свойств ГП в целом. В кристаллических ГП этими объемами могут быть определенные минеральные зерна. Поэтому особый интерес представляет образование и развитие микротрещин на уровне минеральных зерен, где наблюдается концентрация напряжений.

Для оценки возможности зарождения микротрещин в первом приближении можно использовать критерии максимального растягивающего напряжения, т. е. Достаточно сопоставить расчетное максимальное растягивающее напряжение σ_y или σ_z с пределом прочности ГП на растяжение σ_р (статическим или динамическим в зависимости от скорости нагружения). Сопоставив полученные в результате расчета максимальные растягивающие напряжения, можно сделать вывод о возможности развития трещин.

Т. о., микроразрушение ГП начинается при сжимающих напряжениях, меньших предела мгновенной прочности на одноосное сжатие. Помимо образования микротрещин, ориентированных по направлению внешней нагрузки, на первой стадии разрушения могут образоваться микротрещины, наложенные под небольшими углами к этому направлению, определяемыми уровнем действующей внешней нагрузки. В сжатом объеме породы возможно и такое развитие существующих трещин : рост трещин, ориентированных по направлению внешней сжимающей нагрузки, и ветвление трещин, наклоненных к этому направлению. Процесс ветвления трещин останавливается, если направление трещин совпадает с направлением внешней нагрузки. Вообще рост трещин определяется уровнем действующей нагрузки и если нагрузка не увеличивается, то первая стадия разрушения заканчивается.

Дальнейшее увеличение внешних сжимающих напряжений σ_a приводит к увеличению растягивающих напряжений σ_y и σ_z и вызывает рост образовавшихся и существующих трещин до пересечения с другими трещинами, что соответствует второй стадии разрушения. При этом возможны два варианта такого пересечения: трещины, растущие по направлению внешней нагрузки, упираются в трещины, наклоненные к этому направлению, и затормаживается, либо происходит слияние и укрупнение трещин.