Иерархически блочная модель массива горных пород

Детальное рассмотрение структурных особенностей массивов пород и выделение различных порядков структурных неоднородностей показывает, что массивы горных пород представляют собой специфическую иерархически блочную среду, которая в зависимости от конкретных условий и рассматриваемых объектов может проявлять как свойства сплошной однородной или неоднородной среды, так и свойства блочной среды, т. е. приближаться к дискретным средам.

В последнем случае необходимо ввести несколько новых понятий.

Всякий неоднородный объект характеризуется размерами элементов неоднородности и степенью неоднородности.

Элементом неоднородности обычно называют наибольший объем породы, который при данном масштабе исследований может рассматриваться «как внутренне однородный» по какому-либо признаку или по совокупности заданных признаков и отличающийся по этим признакам от смежных с ним объемов.

Под степенью неоднородности понимается интенсивность и характер различия совокупности значений заданных признаков или одного из них в пределах исследуемой области.

В частности, под структурным блоком будем понимать объем, ограниченный соседними поверхностями структурных неоднородностей одного порядка. Структурные блоки могут иметь формы параллелепипедов или более сложных многогранников и характеризуются линейными размерами ребер, которые представляют собой расстояния между ближайшими структурными неоднородностями одного и того же порядка. Таким образом, общая структура массива горных пород представляется в виде вложенных друг в друга структурных блоков.

Физическую поверхность, ограничивающую структурный блок, будем называть структурной неоднородностью, понимая под ней любой вид неоднородностей — поверхности геологических нарушений, контакты различных пород, поверхности напластования, поверхности трещин и т. д.

При таком представлении для описания свойств и состояния массивов пород наряду с моделями сплошной среды может быть применена двухкомпонентная модель структурный блок — структурная неоднородность. Необходимо отметить, что подобная модель может быть применена для массивов, сложенных любыми породами, как скальными, так и нескальными. Но в последнем случае блочная среда может быть менее выражена и необходимость ее использования для решения практических задач с точки зрения точности получаемых результатов менее очевидна.

Специфичность массивов горных пород как физических сред в том и проявляется, что в зависимости от решаемых задач и конкретных размеров рассматриваемых объектов или, другими словами, от соотношения размеров элементов неоднородностей и области воздействия один и тот же массив пород может выступать как сплошная среда или как блочная среда с различными параметрами структурных блоков и структурных неоднородностей, а следовательно, с различными плотностными и деформационно-прочностными характеристиками.

Наглядно это видно из диаграммы структурной неоднородности, конкретизированной для реальных горных объектов применительно к условиям массивов скальных пород (рис. 3.6).

Обычно области, отвечающие сплошной (однородной) и блочной (неоднородной) структурам, условно разделяются прямой Ld/L_c= 10, т.е. если размеры деформируемого объекта превышают величину элемента неоднородности в 10 раз, среда может быть принята практически однородной. По данным исследований на моделях среда может быть принята однородной лишь при соотношении указанных величин L_d/L_c = 20...40. Поскольку этот вопрос еще требует

Рис. 3.6. Диаграмма структурной неоднородности горных пород:

1-IV-порядки структурных неоднородностей; деформируемые объекты: 1-дневная поверхность; 2-очистные выработки и выработанные пространства; 3- капитальные и подготовительные выработки, целики; 4- буровые скважины. Заштрихована область упругого деформирования в массивах скальных пород

уточнения, пока целесообразно выделить на диаграмме некоторую переходную область, где массив с известным приближением можно принимать за однородную или неоднородную среду в зависимости от необходимой точности решения конкретных задач. Верхней границей этой области условно можно считать прямую Ld/L_c = 100.

Таким образом, при рассмотрении любых задач геомеханики необходимо в первую очередь выяснить, какие размеры имеют интересующие области деформирования, затем, исходя из размеров деформируемых областей, проанализировать структурные особенности конкретного массива пород и установить, какие виды структурных неоднородностей и в какой степени влияют на состояние рассматриваемых объектов.

В результате должен быть выявлен вид так называемой эффективной структурной неоднородности. Все структурные неоднородности, которые меньше эффективной структурной неоднородности, представляют собой ультранеоднородности. Они не препятствуют рассмотрению пород как сплошной среды и оказывают лишь интегральное влияние на ее характеристики.

Объем элементов ультранеоднородностей W_yH на 2—3 порядка меньше области воздействия W_a, т.е. W_yn < 0,01...0,001 W_B.

Другими словами, таким образом определяются параметры модели сплошной среды для компонента «структурный блок».

Сама эффективная структурная неоднородность обусловливает статистическое распределение любых характеристик и свойств пород массива. Соотношение ее размеров с размерами области воздействия составляет W_m < 0,1 W_K.

Наконец, все структурные неоднородности, размеры которых превышают размеры эффективной структурной неоднородности, вызывают закономерную изменчивость свойств пород и должны специально учитываться в расчетах, они выступают как макронеоднородности по отношению к области воздействия и объемы этих элементов неоднородности W_mi > W_v

В качестве примера рассмотрим вопрос оценки устойчивости буровых скважин, диаметры поперечных сечений которых составляют первые десятки сантиметров. Здесь в качестве эффективной структурной неоднородности следует принять структурные неоднородности, характерные размеры которых не превышают единиц сантиметров (т.е. в 10 раз меньше диаметра). Для условий скальных массивов это обычно структурные неоднородности четвертого, реже третьего порядков. Следовательно, свойства пород массива конкретно для задач оценки устойчивости скважин можно определять на объемах, представительных именно с точки зрения этих видов неоднородностей.

Подобным же образом необходимо выделять эффективные струкурные неоднородности и при рассмотрении других конкретных задач геомеханики.

Вообще свойства среды, отображаемой двухкомпонентной моделью «структурный блок — структурная неоднородность», принципиально могут определяться двумя путями.

Один из них, интегральный, наиболее широко применяемый в настоящее время, заключается в отборе представительных проб или выборе опытных участков в зависимости от порядка (масштаба) изучаемых структурных неоднородностеи и определении для них некоторых средних, интегральных значений интересующих свойств. Другими словами, реальная среда заменяется при этом некоторой идеализированной, в которой неоднородности считаются распределенными равномерно и проявляются в снижении средних значений характеристик и повышенном коэффициенте их вариаций.

Другой путь, дифференциальный, заключается в дифференцированном изучении характеристик для компонентов, слагающих среду, — структурных блоков и структурных неоднородностеи с последующим аналитическим учетом свойств отдельных компонентов в процессах деформирования и разрушения пород. Второй путь позволяет избежать непреодолимых технических сложностей проведения крупномасштабных испытаний, особенно при изучении структурных неоднородностей низких порядков. В то же время выявляется необходимость дополнительных исследований закономерностей пространственного размещения неоднородностей, создания их классификаций, разработки метода отбора специальных образцов самих структурных неоднородностей и т. д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие составляющие определяют состояние массивов горных пород?

2. Назовите глубинные зоны Земли и их параметры.

3. Дайте классификацию горных пород.

4. В чем заключаются петрографические особенности горных пород?

5. Что следует понимать под структурой и текстурой горных пород?

6. Назовите основные виды тектонических структур земной коры и верхней мантии.

7. Дайте классификацию структурных неоднородностей массивов горных пород.

8. В чем заключается общая закономерность структуры, характерная для верхней мантии, земной коры и массивов горных пород?

9. Чем определяется степень влияния различных порядков структурных неоднородностей на условия деформирования и разрушения конкретных объектов?

10.Что такое масштабный эффект?

11.Что такое коэффициент структурного ослабления?

12. Расскажите об основных понятиях иерархично-блочной моделимассива горных пород — элементе неоднородности, степени неоднородности, структурном блоке, структурной неоднородности, эффективной структурной неоднородности.