Назад в библиотекуВНИЗ

УДК 622.023.23:622.834
Кольчик Е.И., Ревва В.Н. (ИФГП НАН Украины), Костенко В.К., Кольчик А.Е. (ДонНТУ)

ВЛИЯНИЕ ВОДОНАСЫЩЕННОСТИ ПОРОД НА ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

После ликвидации угольных шахт «мокрым» способом вода заполняет оставшиеся полости (выработки, трещины, поры и пустоты в выработанном пространстве). При этом происходит изменение физико-механических характеристик слагающих горный массив пород, что сопровождается деформациями налегающего породного массива и поверхности. Негативные последствия, выражающиеся в деформациях зданий и сооружений, а также в изменении гидрологического режима почвенных и глубинных вод, могут проявляться в течение многих лет после затопления горного отвода.
В связи с этим при проектировании схем подготовки и систем разработки, а также при подготовке шахт к реструктуризации необходимо знать и учитывать свойства горных пород и их изменение при различном напряженном состоянии и влагонасыще-нии. Физико-механические свойства слагающих горный массив пород весьма разнообразны и нестабильны. Особенно это относится к прочностным и деформационным характеристикам, которые оказывают существенное влияние на сдвижения горного массива и земной поверхности [1, 2].
Прочностные характеристики сухих пород довольно детально изучены при одноосном и при трехосном напряженном состоянии [3, 4]. Известно, что с проникновением шахтных вод в горные породы, в процессе водонасыщения происходит снижение упругих и прочностных показателей, увеличивается трещинообразование [1, 2]. В сухом состоянии слагающие угленосный массив осадочные горные породы представляют собой двухфазные системы, состоящие из спрессованных различного рода и размеров твердых частиц и заполненных газами пустот между ними. По характеру отношения к воде твердые частицы можно разделить на водоотталкивающие (гидрофобные) и смачиваемые (гидрофильные). Пустоты разделяют на разного размера и формы поры между частицами, а также на трещины. Поступающая в горный массив вода выступает как третья фаза, которая содержится в пустотах в виде паров, пленок, капель, свободной воды и т.п. Различают также физически связанную и кристаллизационную воду [5]. Однако, анализируя сведения о свойствах увлажненных и водонасыщенных пород, можно сделать вывод о том, что в настоящее время они не систематизированы, носят отрывочный характер и нуждаются в уточнении и дополнении.
Целью настоящей работы было уточнение в лабораторных условиях качественных зависимостей влияния водонасыщения на прочность и деформируемость горных пород. Испытания производились на образцах, изготовленных из искусственного материала и шахтных пород.
В качестве искусственного материала использовалась гипсопесочная смесь, которая при насыщении водой в первом приближении отражает поведение породы, состоящей как из гидрофобных (песок) так и гидрофильных (гипс) твердых компонентов и пор. Исходный состав смеси для изготовления образцов приведен в таблице 1.

Табл. 1. Состав смеси в образцах
№ образца Содержание ингридиентов в смеси,% мас. Время до саморазрушения образца
песокгипсвода
189,500,50101 мин
289,001,00102 мин
388,751,25101 ч
488,002,001016 ч
586,503,501025 ч
686,004,001028 ч
785,005,0010141 ч

После затвердения и высыхания образцы одинакового размера помещали в емкость (рис.1, а), на дно которой заливали водопроводную воду таким образом, чтобы все образцы были погружены на 10 % их высоты. После заливки происходило увлажнение образцов за счет капиллярного движения воды, и последующее их саморазрушение под действием гравитационных сил, которое проявлялось, прежде всего, как потеря устойчивости находящегося в воде основания образца (рис. 1,б).


Рис. 1. Общий вид образцов перед испытаниями (а) и состояние их через 20 ч после заливки воды (б)

Наибольшее время до разрушения наблюдалось в образце с содержанием гипса 5,0% (см. табл. 1), а наименьшее — с содержанием гипса 0,5%. Из этого следует, что более устойчивы образцы с меньшей пористостью и большим содержанием вяжущего вещества.
Можно предположить, что пористость искусственного материала в данном эксперименте оказывала наибольшее влияние на устойчивость образцов, так как в составе исходной смеси изменение относительного содержания вяжущего (гипса) было невелико. Пористость же определяла повышенное содержание капиллярной воды в материале и связанное с этим снижение внутреннего трения при намокании гипса и смачивании песка. Подтверждением этого вывода является нелинейная зависимость между содержанием в составе гипса и периодом саморазрушения образца.
Влияние влаги на прочность горных пород оценивали при одно- и трехосном сжатии образцов породы.
Образцы пород изготавливали кубической формы с размером ребра 55 мм. Для испытаний их помещали в рабочую камеру трехосного пресса с независимым перемещением нажимных плит, которые являлись стенками рабочей камеры. Искусственное увлажнение образцов осуществлялось путем безнапорного насыщения шахтной водой, а обезвоживание образцов производилось в эксикаторе с гигроскопическим веществом при вакуумировании и термостатическом высушивании.
При испытании образцов песчаника установлено, что при одноосном сжатии относительная деформация влажных (содержание влаги равно 2,5-3,0%) образцов больше, чем сухих (рис. 2). При этом прочность влажных образцов уменьшалась в 1,1-1,3 раза.


Величина напряжений (σ0), МПа
Рис. 2. Изменение относительной деформации от величины приложенных напряжений при одноосном сжатии образцов песчаника: 1; 1' - кремнисто-слюдистый цемент сухой и влажный соответственно; 2; 2' — глинисто-слюдистый цемент сухой и влажный соответственно; 3; 3' — карбонатный цемент сухой и влажный соответственно

Реальная угленосная толща, в отличие от образцов, имеет структурные нарушения. Трещины существуют как в нетронутом массиве, так и в зонах геологических нарушений и вблизи горных выработок [6]. Трещины являются основными коллекторами газов, паров и жидкостей. Именно трещины определяют основной фильтрационный перенос вод в подтопленных массивах. Особенно важно это для сланцеватых пород, образовавшихся из глинистых и илистых осадков. При размоканий окаменевших глинистых и илистых частиц происходит их набухание, связи между ними ослабевают, увеличившиеся в объеме частицы препятствуют фильтрации и даже кнудсеновской диффузии воды в структурную отдельность (кусок или блок). В связи с этим степень водонасыщения и соответствующего изменения физико-механических свойств разрушенных, частично разрушенных и не разрушенных пород будет различна.
С целью установления влияния нарушенности образца на его прочность и усадку были проведены испытания на трехосном прессе. При этом образцы подвергали сжатию по следующей схеме: σ1>σ2=σ3. Напряжение σ1=const=45 МПа. Напряжения σ2=σ3 изменяли ступенчато через 2 МПа от 2 до 20 МПа. Данные испытания изготовленных из аргиллита образцов показывают, что с увеличением структурной нарушенности и водонасыщением пород усадка увеличивалась в 2,0-2,5 раза (рис. 3).


σ2=σ3
Рис. 3. Изменение величины усадки образцов от уровня бокового подпора: 1,2 — сухие образцы с 3 и 8 трещинами на образец соответственно; 3,4 — водонасыщенные образцы с 3 и 8 трещинами, соответственно

Прочность увлажненных образцов снижается в 2,0 раза (рис. 4). Причем исходная трещиноватость образцов вносит значительно меньший вклад в усадку, чем их водонасыщение [7].


Количество трещин, шт
Рис. 4. Изменение прочности аргиллита от количества трещин в образце: 1 — сухие образцы; 2 — водонасыщенные образцы

Как подтвердили проведенные эксперименты, с увлажнением пород их прочность существенно снижается. Следовательно, существует опасность разрушения угле-породных целиков и смещений горного массива после затопления шахт. В связи с этим, для предотвращения разрушения водонасыщенных пород и смещений поверхности, необходимо заблаговременно принимать меры по недопущению деформаций недр.
Из результатов лабораторных исследований сделаны следующие предварительные выводы.
1. Пористые и менее прочные материалы разрушаются при водонасыщении быстрее, чем прочные.
2. Насыщение пород влагой до 3...5% приводит к снижению их прочности в 1,3 раза и к увеличению относительной деформации при одноосном сжатии в 1,25 раза.
3. При объемном сжатии по схеме σ1>σ2=σ3 установлено, что с увеличением структурной нарушенности и водонасыщенности усадка пород увеличивается в 2,0-2,5 раза, а прочность пород снижается в 2,0 раза.

Библиографический список

1. Єрмаков В М. Прогноз зміни стану підробленого гірничого масиву при закритті вугільних шахт. — Автореф. дис. ... канд. техн. наук.: 05.15.11 — ДонФТІ. —Донецьк: ДонФТІ, 1999. — 19с.
2. Алексеев А.Д., Питаленко Е.И., Маевский В.С., Ермаков В.Н. Деформационные процессы в горном массиве при закрытии угольных шахт // Физико-технические проблемы горного производства. —Донецк: ДонФТИ, 1998. — С. 5-9.
3. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеева А.Б. Прочность и деформируемость горных пород —М.: Недра, 1979. —269 с.
4. Мохначев М.П., Присташ В.В. Динамическая прочность горных пород. — М.: Наука, 1982.— 141с.
5. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. — М: Недра, 1978. — 390 с.
6. Костенко В.К. Влияние структурных изменений в пласте на формирование пожароопасных зон // Горноспасательное дело: сб.науч. тр. — Донецк: НИИГД, 1999. — С. 85-92.
7. Ревва В.Н., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В. и др. Влияние водонасыщения на физико-механические характеристики структурно-нарушенных горных пород // Изв. Донецкого горного института, 1999.— №3. — С. 18-20.

©2007 Кольчик Е.И., Ревва В.Н., Костенко В.К., Кольчик А.Е.