Напряженное состояние массива и оценка прочностных характеристик криогенных пород

Напряженное состояние массива и оценка прочностных характеристик криогенных пород

Результаты экспериментов по изучению изменения скорости распространения упругих волн и динамических модулей упругости мерзлых пород  льда в напряженно-деформированном состоянии [32, 37, 41, 46, 96, 107 и др.] положены в основу создания акустических методов оценки напряженного состояния массива криогенных пород. Данные этих экспериментов, выполнявшихся как для одноосного, так и для трехосного сжатия, свидетельствуют о том, что скорость продольных упругих волн г;р и модуль Юнга Е криогенных пород возрастают в процессе увеличения давления до предела текучести. Это возрастание имеет экстремальный характер, причем максимумы значений V и Е соответствуют наиболее упрочненному состоянию криогенной породы, возникающему при воздействии поля механических напряжений и предшествующему началу прогрессирующего пластического течения, а затем и разрушения.

В любом материале существуют два механизма, определяющие процесс разрушения: пластическое течение и хрупкое растрескивание. В гетерогенных материалах пластичность может возникать и за счет процесса растрескивания, но при условии, что возникающие около макродефектов структурные трещины не разрастаются сильно, а замыкаются на других дефектах. В зависимости от соотношения величин напряжения течения и растрескивания при прочих равных условиях будет преобладать тот или иной процесс, а материал будет либо хрупким, либо пластичным. Аморфные материалы часто имеют хрупкое разрушение. Однако при повышении температуры у них быстрее уменьшается напряжение течения, чем напряжение хрупкого разрушения, и они становятся пластичнее. В криогенных породах, несмотря на их кристаллическое строение, при не очень низкой температуре наблюдается сходная зависимость. —

Рис. 98. Изменение скорости V? (/) и деформации е (2) мерзлого песка при объемном сжатии:

По-видимому, пластические деформации и прочность поликристаллической криогенной породы определяются в значительной степени смещениями вдоль межзерновых граничных зон, что обусловливает сходство процессов пластичного деформирования в них и в аморфных телах.

По характеру изменения V во времени можно оценить состояние деформированной криогенной породы. 

Так, согласно данным В. Е. Коновалихина [37], можно ввести акустический критерий

где Ур.н — скорость в начальный момент времени измерений; ^р —скорость через определенный интервал времени. Причем! если А<9%, то имеет место затухающая ползучесть, а при Д>9% — пластичное течение и разрушение.

Рис. 99. Результаты измерений аР в ледопородном ограждении ствола шахты 

Опытная регистрация изменений V? во времени, проведенная в натурных условиях в ледопородном ограждении при строительстве ствола шахты способом замораживания в Запорожском железорудном, комбинате [37], показала, что А<9%. На основании этого был сделан вывод, что ледопородное ограждение находится в упруго-вязком состоянии. Оказалось, что для внутренней части ограждения А«8% (кривая 1 на рис. 99, а), т. е. оно близко к состоянию пластичного течения и могло бы потечь, если бы его не закрепили. Время пребывания ограждения без крепи после каждой заходки в данном случае не превышало трех суток. Кроме того, измерения величины V? по толщине ограждения показали, что она заметно возрастает в направлении от стенки ствола в глубь ограждения (рис. 99,6). Это возрастание обусловлено в основном напряженным состоянием массива мерзлых песков, так как при изменении температуры в пределах —(15-4-20)° С прирост скорости для песков получается всего на единицы процента.

Таким образом, известные принципиальные возможности ультразвукового метода контроля толщины, качества и состояния ледопородного ограждения [92, 93] в настоящее время получили практическое подтверждение при натурных измерениях [37, 42, 46]. Этот метод следует внедрять в производство горнопроходческих работ.

С помощью ультразвукового импульсного метода при проходке стволов шахт и последующей их эксплуатации можно-решать следующие задачи:

Применение ультразвукового метода контроля при решении этих задач создаст возможность обоснованной корректировки величины каждой заходки при строительстве ствола шахты, а также времени сооружения необходимой крепи в соответствии с фактическим состоянием ледопородного ограждения. Все это должно значительно уменьшить опасность прорыва ограждения при одновременном увеличении скорости проходки и затрат на нее.

Конечно, для повышения эффективности и надежности системы контроля необходимы разработка и применение комплексных способов контроля формирования и изменения состояния ледопородного ограждения. При этом помимо ультразвукового следует применять и другие методы, например: термические измерения и инклинометрию скважин.

Методика акустических измерений при решении указанных задач может быть различной. Во-первых, это измерения из замораживающих или специальных контрольных скважин, пробуренных с поверхности до нижней границы ледопородного ограждения. В данном случае выполняют междускважинное прозвучивание или акустический каротаж [2, 42]. Во-вторых, это измерения, осуществляемые из ствола строящейся шахты. При этом возможны два варианта:

ультразвуковая локация ледопородного массива [92] с поверхности стенки ствола и ультразвуковые измерения в шпурах, пробуренных в ледопородное ограждение на глубину около 1 м [37]. Основные трудности практического применения ультразвукового метода связаны с конструктивной разработкой шахтных и скважинных акустических приемно-излучающих систем и их расположением, ориентированием и перемещением. Регистрирующая электронная аппаратура во всех случаях аналогична применяемой при лабораторных измерениях (см. главу IV).

В настоящее время существуют отдельные комплекты аппаратуры ультразвукового контроля ледопородного ограждения из глубоких скважин [42].

П. В. Тютюнником и В. Е. Коновалихиным [37, 46] разработаны конструкции специальных акустических шпуровых зондов, которые были успешно испытаны в натурных условиях (рис. 100).

Рис. 100. Акустические зонды для измерения в шпурах:

/ — шпур в мерзлой породе; 2 — лед; 3 — корпус преобразователя; 4 — пьезоэлемент; 5 — демпфер; 6 — трубка; 7 — электронагреватель; 8 — высокочастотные кабели; 9 *—крышка; 10 — труба; // — масло; 12 — штуцер; /3—15 — уплотнительные кольца

Работа с зондом (рис. 100, а) осуществляется следующим образом. После помещения зонда в шпур, пробуренный в мерзлой породе, пространство между стенкой шпура и зондом заливается водой, которая замерзает и обеспечивает жесткий контакт зонда со средой. После этого можно начинать измерения. Конструкция зонда предусматривает возможность перемещения пьезодатчика внутри зонда (в масляной среде) вдоль его оси, а также вращение его вокруг этой оси для обеспечения направленного приема или излучения. С помощью двух таких: зондов, располагаемых в параллельных шпурах, можно осуществлять прозвучивание ледопородной стенки для определения ее акустических параметров (скорости распространения и характеристик затухания продольных упругих волн). Акустический контакт пьезопреобразователя со средой осуществляется через масло и вмороженный корпус зонда. После выполнения измерений из зонда отсасывается масло, извлекается штанга с пьезопреобразователем, а вместо нее вводится электронагреватель. С помощью последнего подплавляется лед вокруг зонда, после чего извлекается корпус. Операции по установке и извлечению зонда из скважин трудоемки, но зато обеспечивают достаточно надежный, идентичный во всех точках измерения в данном шпуре акустический контакт.

Зонд, приведенный на рис. 100,6, предназначен для работы при жестком акустическом контакте со средой. Пьезодатчики после установки их в положение оптимального сигнала при прозвучивании примораживаются к стенкам шпуров. В данном случае возможна работа как с продольными, так и с поперечными волнами. Этот зонд предназначается для длительных стационарных наблюдений. Зонд извлекается из шпура также с применением электронагревателя.

В головке зонда с прижимным устройством (рис. 100, в) смонтирован электронагреватель для предварительного под-плавления льда около корпуса пьезодатчика при извлечении (перемещении) зонда после выполнения измерений. Работа с этим зондом более производительна, имеется возможность работы как с продольными, так и с поперечными волнами, однако идентичность акустического контакта менее надежна, чем с зондом на рис. 100, а. Следует отметить, что подобные акустические зонды могут быть успешно применены при изучении и контроле напряженного состояния массива мерзлых пород в связи с эксплуатацией гидротехнических и других сооружений, ледяных покровов акваторий, ледяных, ледопородных и снеж-нофирновых несущих покрытий дорог, аэродромов, а также для контроля за состоянием снега в лавиносборах.

Помимо указанных способов акустической регистрации напряженного состояния криогенных пород возможно применение сейсмических методов [63, 75, 141] и методики наблюдения за изменениями интенсивности и спектральной плотности акустической радиации, сопровождающей процесс микрорастрескивания породы. Последняя, как показали эксперименты, весьма перспективна при изучении напряженного состояния ледяных покровов акваторий [11″|.

Вопрос изучения напряженного состояния криогенных пород тесно связан с оценкой их прочностных характеристик. Рассмотрим кратко возможности акустических и электрометрических методов при этих исследованиях. Известно, что прочность и упругость кристаллов обусловлены типом связей, видом кристаллической решетки, концентрацией и динамикой дефектов и дислокацией и т. п., однако надежной функциональной зависимости между упругостью и прочностью (даже мгновенной) не установлено. Тем более, такой зависимости нет для поликристаллических сред. Однако как следует из экспериментов, между этими свойствами для конкретных материалов возможно установление корреляционных связей. Данные, приведенные в § 5 главы III, свидетельствуют, что такие связи имеют место и для криогенных образований, а это в свою очередь является основой для применения акустических и других физических методов при оценке их прочностных характеристик. В соответствии с рис. 57 можно констатировать, что прочность любой криогенной породы обычно тем больше, чем выше значения ее динамических модулей упругости, причем прочность на сжатие всегда больше прочности на разрыв для мерзлых песчано-глинистых пород в 2—4 раза, а для льдов, различного состава в 8—10 раз. Таким образом, пользуясь установленными зависимостями между динамическими модулями упругости и соответствующими пределами прочности, можно оценивать прочностные характеристики криогенных пород по результатам ультразвуковых и сейсмо-акустических исследований. Применение сейсмо-акустического зондирования *и профилирования позволяет получать данные о распределении свойств массива по его глубине и простиранию. При правильном выборе комплекса методов, это может обеспечить существенное сокращение объемов исследований.

Полевые исследования, выполненные А. Т.- Акимовым [2,. 51], Ю. Д. Зыковым и Ю. И. Баулиным [51] в СССР, а также О. Гаргом и Дж. Хантером [141] в Канаде, свидетельствуют о реальных перспективах применения сейсмо-акустических методов при изучении.массивов мерзлых пород.

Установленные нами корреляционные связи между некоторыми электрическими и механическими характеристиками (см. рис. 79) свидетельствуют о возможности применения электрометрических методов, например диэлектрического каротажа скважин для оценки прочностных характеристик криогенных пород. Таким образом, применение различных физических методов при определении прочности криогенных пород в массиве повысит достоверность и надежность ее косвенных оценок.

В заключение отметим, что прочность криогенных пород составляет обычно сотые и десятые доли процента от значений модуля упругости Е. При понижении температуры криогенной породы модуль Е и прочность на сжатие согласованно возрастают для мерзлых пород и льдов разного состава примерно с одинаковым коэффициентом пропорциональности. Прочность на разрыв не подчиняется этой закономерности (см. § 5 гл. III), что можно связать с резким охрупчиванием тех криогенных пород, в которых граничные межзерновые зоны становятся близкими по прочности к кристаллам льда и перестают тормозить распространение трещин. Так, для мерзлого песка и пресного льда предел прочности на сжатие примерно в четыре раза выше, чем на растяжение, в то время как для глинистых и других криогенных пород, содержащих значительное количество незамерзшей жидкой фазы и примесей в межзерновых граничных зонах, а следовательно, и более пластичных, прочность на сжатие и разрыв приблизительно одинакова. Из этого следует, что для обеспечения большей прочности на разрыв при промерзании песка и пресного льда необходимо сохранение у них определенной пластичности, что, в частности, можно осуществить путем их некоторого засоления. Однако разработка такой методики требует выполнения специальных исследований, так как экспериментальные данные, имеющиеся в настоящее время, очень ограниченны.

Источник