Изменение механических свойств горных пород во времени

Как известно, под действием постоянной нагрузки во многих ма­териалах, в том числе и в горных породах, с течением времени проис­ходит увеличение деформации. Раздел механики, устанавливавший общие законы образования и развития во времени деформации любого вещества от различных причин в различных условиях, называют реологией (наука о течении вещества).

Изменение во времени деформаций, а следовательно, и напряже­ний в одних случаях могут быть ощутимы на протяжении сравнительно небольшого отрезка времени или более длительного периода. Эти из­менения происходят при постоянной нагрузке и сопровождаются увели­чением деформаций или сохранением постоянной деформации и снижением напряжений. В первом случае явление называется ползучестью, во вто­ром - релаксацией (падение напряжений при неизменной деформации).

Известно, что деформации и напряжения в горных породах зависят от времени. Поэтому описание свойств горных пород без учета времени не может быть полным. Изучение деформированности горных пород с учетом времени началось сравнительно недавно. Все работы в этом на­правлении имеют пока поисковый характер с использованием данных, полученных для других, однородных материалов как, например, металл.

Горные породы по реологическим свойствам разделяются на два ти­па. К первому типу относятся породы, деформирование которых во вре­мени носит ограниченный характер. Деформации ползучести возрастают по экспоненциальному закону (рис. 1.6, кривая I) и стремятся к оп­ределенному пределу. Для второго типа пород кривая ползучести представляет в начальной части экспоненту (рис. 1.6, кривая 2), ко­торая затем быстро переходит в прямую, образующую некоторый угол с осью времени. К первому типу пород относятся песчаники, аргиллиты и алевролиты, ко второму - глинистые породы (глины). Параметры кривой ползучести в зависимости от времени определяются экспериментально на образцах при одноосном сжатии или изгибе. Получение исходных данных для уравнения ползучести требует значительных затрат времени, весьма точной аппаратуры, работающей в определенных условиях.

В условиях длительного нагружения порода разрушается при на­грузках меньших, чем при кратковременном нагружении. Изменение прочности пород во времени характеризуется кривой, изображенной на рис. 1.6, б, которая называется кривой длительной прочности. Отно­шение мгновенной прочности к длительной для осадочных пород изменя­ется от 1,2 до 2,0.

За счет изменения свойств пород их деформации вокруг выработок во времени возрастают. Это вызывает опускание пород внутрь выработ­ки, рост нагрузок на крепь, расширение зоны влияния выработки вглубь массива.

На рис. 1.7 представлены кривые опускания слоя породы кровли, подработанного очистными работами, после остановки забоя лавы. Из анализа следует, что с течением времени опускания возрастают как над выработанными пространствами, так и в массиве. При этом зона влияния выработки в массиве заметно расширяется.

Эти явления вызваны не только изменением деформационных свойств пород, но и перераспределением нагрузок, действующих на породы.

Характер изменения модуля деформации Е и коэффициента β с течением времени представлены на рис. 1.8. Интенсивность изменения этих характеристик зависит от типа породы и мощности рассматриваемо­го слоя породы h_сл ,

При одной и той же мощности слоя породы для песчаников (рис. 1.3, кривая I) эта интенсивность ниже, чем для глинистых слан­цев (рис. 1.8, кривая 2).

На основе теоретических и экспериментальных исследований, обработки статистических данных об опусканиях подрабаты­ваемых очистными работами пород в различных условиях получены зависимости изменения модуля деформации пород над выработанным пространством Е_п и коэф­фициента β от времени и ско­рости подвигания забоя:

Е_о  - модуль деформации пород, определяемый из выражения (1.2), МПа; Е_п - модуль деформации пород над выработанный пространством, опре­деляемый по выражению (I.I); V - среднесуточная скорость подвигания забоя, м/сут; t - время, прошедшее с момента окончания горных работ, сут;  h_сл - мощность рассматриваемого слоя, м; β - коэффициент, определяемый по выражению (1.3).