Иерархично-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, иерархично-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.
Вообще всякий неоднородный объект характеризуется размерами элементов неоднородности и степенью неоднородности.
Элементом неоднородности обычно называют наибольший объём 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 объёмов.
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 пониматьобъём, ограниченный соседними поверхностями структурных неоднородностей одного порядка. Структурные блоки могут иметь формы параллелепипедов или более сложных многогранников и характеризуются линейными размерами рёбер, 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, контактов различных пород, поверхностей напластования, поверхностей 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, в принципе, подобная модель может быть применена для массивов, сложенных любыми породами, как скальными, так и нескальными. Но в последнем случае блочная среда может быть будет менее выражена и необходимость её использования для решения практических задач с точки зрения точности получаемых результатов будет менее очевидной.
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 может быть проиллюстрировано диаграммой структурной неоднородности, конкретизированной для реальных горных объектов применительно к условиям массивов скальных пород (рис.2.6).
|
Рис.2.6 Диаграмма структурной неоднородности горных пород.
I-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.
Обычно области, отвечающие сплошной (однородной) и блочной (неоднородной) структурам, условно разделяются прямой Ld / Lc = 10, т.е. если размеры деформируемого объекта превышают величину элемента неоднородности в 10 раз, среда может быть принята практически однородной. По данным же исследований на моделях среда может быть принята однородной лишь при соотношении указанных величин Ld / Lc = 20-40. Поскольку этот вопрос ещё требует уточнения, пока целесообразно выделить на диаграмме некоторую переходную область, где массив с известным приближением можно принимать за однородную или неоднородную среду в зависимости уже от необходимой точности решения конкретных задач. Верхней границей этой области условно можно считать прямую Ld / Lc = 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 будут влиять 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, которые не препятствуют рассмотрению пород как сплошной среды и оказывают лишь интегральное влияние на её характеристики.
Объём элементов ультранеоднородностей (Wyн) на 2-3 порядка меньше области воздействия(Wв)т.е.Wун £. 0.01 - 0.001 Wв.
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 её размеров с размерами области воздействия составляет Wэн £. 0.1 Wв
Наконец, все структурные неоднородности, размеры которых превышают размеры «эффективной структурной неоднородности» вызывают закономерную изменчивость свойств пород и должны специально учитываться в расчётах, они выступают как макронеоднородности по отношению к области воздействия и объёмы этих элементов неоднородности Wмн ³. Wв.
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 IV-го, реже III-го порядков. Следовательно, свойства пород массива конкретно для задач оценки устойчивости скважин можно определять на объёмах, представительных именно с точки зрения этих видов неоднородностей. Подобным же образом необходимо поступать 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 неоднородносгей) и определении для них некоторых средних, интегральных значений интересующих свойств. Т. е., 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 компонент, слагающих среду, - структурных блоков и структурных неоднородностей с последующим аналитическим учетом свойств отдельных компонент 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.
Дата добавления: 2015-11-06; просмотров: 428;