МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ ПОРОД

Метод определения динамического модуля упругости (П)

Сущность метода заключается в измерении скорости прохождения продольных и поверхностных ультразвуковых волн по образцу горной породы и определении показателей упругости в зависимости от величин указанных скоростей.

Для возбуждения колебания в образце и индикации их прохождения используют ультразвуковой сейсмоскоп с пьезоэлементами, типа ИПА-59 или УК-10П. Применяемая частота колебаний должна превышать величину (1.5-2.0) · V_P / d, где V_P - скорость распространения продольных колебаний, а d - диаметр образца.

Образцы для испытаний - круглые цилиндрические с плоскими шлифованными основаниями диаметром от 36 до 110 мм и длиной в 2-3 раза превышающей диаметр. Для испытания породы требуется 2-3 образца.

Предварительно определяют плотность образца. После включения и прогрева сейсмоскопа пьезоэлементы - датчик и приемник - плотно прижимают к центральным частям торцов образца и на экране прибора отсчитывают длительность прохождения по образцу продольных волн. Далее датчик и приемник смещают к краям торцов образца, лежащим примерно на одной его образующей, и на экране отсчитывают длительность прохождения поверхностных волн. В обоих случаях надлежащим способом исключают погрешность, отражающую длительность прохождения волн через контакты элементов.

Показатели упругих свойств (Е_g и m) могут быть рассчитаны по следующим формулам:

m = [(V_p / V_s )² - 2] / 2 · [( V_p / V_s)² -1];

E_g = V_p² · r · [1-m-2m²] / q(1-m);

где V_{s =} V_p /0.9 - скорость поперечных волн; V_p - скорость продольных волн, см/сек.; V_s - скорость поверхностных волн, см/сек; r - плотность. Г/см³; q - ускорение силы тяжести 980 см/сек².

Испытание каждого образца повторяют 2-3 раза. В качестве значения показателя модуля упругости (модуля Юнга) породы принимают результаты, различающиеся между собой не более чем на 15-20%.

Образцы пород после определения упругих свойств могут быть использованы для иных видов физико-механических испытаний.

МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ЛИТОЛОГО-ПРОЧНОСТНЫХ КАРТ ПОРОД УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

На основе обобщения и анализа результатов лабораторных определений физико-механических свойств вмещающих пород составляются литолого-прочностные карты. Они служат для характеристики литологического состава и изменчивости свойств пород кровли и почвы угольных пластов и используются для прогнозирования этих свойств на неразведанных участках и при прогнозе горно-геологических условий эксплуатации месторождений.

На участках предварительной и детальной разведки для каждого промышленного угольного пласта в масштабе подсчета запасов составляются литолого-прочностные карты кровли и почвы. При этом учитываются данные бурения всех скважин, вскрывших соответствующие пласты, результаты изучения физико-механических свойств и петрографических особенностей пород, материалы геолого-маркшейдерской службы.

На карту выносятся: выход угольного пласта под покровные отложения, изогипсы его почвы через 100-200 м (в зависимости от масштаба карты и угла падения пород), группа метаморфизма угля, тектонические нарушения, контуры зон выклинивания, расщепления и нерабочей мощности угольных пластов, нижняя граница выветрелых пород, контуры горных работ и местоположение устьев разведочных скважин, из которых опробованные на физико-механические свойства отмечаются условным знаком. По каждому опробованному пластопересечению строятся структурные и текстурные колонки кровли в интервале 0-25 м по нормали пласта и почвы в интервале 0-10 м. На этих колонках в основной кровле и почве отмечаются все слои мощностью более 20 см, а на контакте с угольным пластом - свыше 5 см. Структурная колонка содержит сведения о трещиноватости и плитчатости пород, наличии в них конкреций, обломков других пород, а также отпечатков и остатков флоры и фауны, степени их обугленности и характере расположения относительно слоистости. В текстурной колонке показан характер контактов между слоями и тип слоистости пород. Рядом со структурной колонкой указываются нормальные мощности слоев. В табличках приводятся средние значения и коэффициенты вариации пределов прочности при сжатии перпендикулярно слоистости и при растяжении параллельно слоистости всех опробованных слоев каждого литотипа. Определения прочности “кучерявчиков” и пород комковатой текстуры при этом не учитываются.

На литолого-прочностных картах оконтуриваются площади распространения известняков, песчаников и всех разновидностей сланцев, слагающих непосредственную кровлю и почву пород, а также отмечаются участки ложной кровли.

Кроме того, строятся изолинии средних значений предела прочности при сжатии всех слоев песчаников и сланцев кровли и почвы через 50-100· 10⁵ Па в зависимости от скорости изменения этого показателя. Проведение изолиний производится способом построения изогипс почвы угольного пласта. Для этого строятся графики зависимости прочности пород от глубины их залегания. В связи с тем, что опробованные на физико-механические свойства скважины составляют небольшую часть всех пробуренных (10-2-%), используются результаты определений по скважинам, расположенным в полосе (зоне) шириной по простиранию 1-3 км, расстояние между этими полосами может составлять 3-20 км в зависимости от геологических условий и степени изменчивости свойств пород. Для исключения влияния на свойства пород составляющей катагенеза по простиранию, полосы располагаются по возможности перпендикулярно границам групп метаморфизма углей. Середина полосы принимается за линию, по которой составляются эти графики, при этом используются средние значения показателей по всем изученным слоям.

Обычно прогнозирование свойств с помощью изолиний применяется для пород, вмещающих угли низкой и средней стадии метаморфизма, так как у них наблюдается закономерное изменение свойств с увеличением глубины. Углевмещающие породы в антрацитовых районах Донбасса характеризуются отсутствием закономерности изменения физико-механических свойств с глубиной залегания, поэтому изображение изменчивости параметров в виде изолиний нецелесообразно. В этих случаях более надежными являются их средние значения в пределах разведанного участка или структуры. Следует отметить, что масштаб карт и степень их информативности определяются целями работы.

Как показывает опыт, закономерности строения кровли и почвы угольных пластов и характер изменчивости их физико-механических свойств в пределах угленосных районов или крупных геологических структур могут быть изучены путем составления литолого-прочностных карт более мелкого масштаба. На этих картах выносятся опробованные скважины, породы объединяются в один литологический контур лишь в том случае, если их свойства близки. Кроме того, на них не отмечаются мелкие участки ложной кровли и в качестве прогнозного берется только один основной показатель - предел прочности при сжатии.

В случае необходимости, кроме карт кровли и почвы составляются карты фактического материала, на которых возле каждой опробованной скважины помещается полный разрез кровли, почвы угольного пласта в масштабе 1:500 и в виде табличек все имеющиеся определения пределов прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии и при растяжении. Место отбора каждой пробы должно быть отмечено на колонке.

Литолого-прочностные карты используются при прогнозе инженерно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений, а также являются основой для более целенаправленного изучения физико-механических свойств пород при геологоразведочных работах.