УДК 625.12.033.38

Ахметова Гульбану Акмолдиновна – инженер КУПС (Астана)

Казахский университет путей сообщения, г. Алматы,

Республика Казахстан

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ

Экспериментальные работы по определению физико-механических свойств горных пород в массиве проводились на предварительно обуренном участке при проходке транспортной траншеи (выемке), на участке железнодорожной линии Защита - Лениногорск. Блок трещиноватый, сложен был из серицито-кварцевых сланцев, объемный вес которых равен 2, б т/м³, сильно обводнен. Кроме серицито-кварцевых сланцев имеются алевролиты и углистые сланцы, однако последние встречаются в данном блоке только в отдельных прослойках и не оказывают существенного влияния на прочностные свойства массива.

Усовершенствованный импульсный возбудитель упругих волн, помещенный в передвижную деревянную будку, был подключен к трансформаторной подстанции. Оптимальная температура воздуха, при которой прибор работает устойчиво - +20 °С, но он может работать удовлетворительно и при минусовой температуре до -25° С.

В пробуренные скважины на свинчивающихся штангах, изготовленных из алюминиевых труб диаметром 50 мм, опускалась разрядная камера. В другую скважину на ту же глубину помещалось специальное устройство с датчиком SMB-30. Разрядная камера и датчики крепились в скважинах с помощью специального устройства.

Регистрация упругих колебаний при электроискровом разряде в пластикопроводящей среде осуществлялась с помощью сейсмоприемников SMB-30.

При определении физико-механических свойств в натурных условиях, вопросу укрепления сейсмоприемников непосредственно в скважинах диаметрами 243, 269 мм уделено особое внимание, поскольку пока не было специальных приспособлений или устройств для крепления датчиков в скважине. Нами разработано такое специальное устройство, с помощью которого легко можно закрепить датчики на требуемой глубине в скважине диаметрами 243, 269 мм.

Для каждой точки измерения соединение сейсмодатчиков осуществлялось с помощью многожильных проводов одинакового поперечного сечения.

Перед регистрацией упругих волн проводилась детальная проверка исправности всех узлов аппаратуры, крепление разрядной камеры и сейсмоприемников. Причем разрядная камера крепится так, что при увеличении сверху нагрузки на штанги, камера прочнее закрепляется в скважине. После установки и проверки всех узлов аппаратуры производится запись упругих колебаний с помощью нового разрешающего устройства.

Разрешающее устройство было установлено в передвижном помещении. Размещение в одном месте с усовершенствованным импульсным возбудителем упругих волн позволило тщательно наблюдать за работой всей аппаратуры и производить все необходимые записи в журнале наблюдений.

Все операции по записи упругих волн, возбужденных усовершенствованным импульсным возбудителем, осуществлялись с помощью системы автоматики, которая включала разрешающее устройство.

Принятая нами база прозвучивания от 6 до 9 м позволяет более точно найти скорость распространения продольных и поперечных волн. Если же принять базу прозвучивания более 10 м, например, порядке 50 м различие в скоростях распространения продольных и поперечных волн приведет к тому, что с течением времени произойдет разделение волн. Время разделения волн можно определить по формуле.

(1)

где t -время разделения обеих волн;

х - расстояние, где произойдет разделение волн;

V_р, V_s - скорость продольной и поперечной волны.

Предлагаемый нами импульсный метод исследования механических свойств горного массива с применением электроискрового эффекта в пластикопроводящей среде является безопасным,. наиболее точным и позволяет многократно повторять измерения. Основными акустическими характеристиками, позволившими вести исследования в массиве, приняли скорость распространения упругих волн и показатели поглощения.

Измерение скоростей осуществлялось в разрешающем устройстве путем фиксации упругих колебаний и, соответственно, изменения электрических возбуждений и перевода этого сигнала в цифровую информацию, удобную для дальнейшего построения графиков и обработки методами математической статистики. Пункт возбуждения упругих колебаний располагался в другой скважине. Окно разрядной камеры было направлено навстречу сейсмоприемникам. Размещение сейсмоприемников в скважинах позволило защитить их от помех вызванных звуковой волной. Сейсмоприемники располагались станциями на одной прямой с пунктом возбуждения упругих колебаний,

По расчетной схеме определены скорости упругих волн в массиве, а по скоростям V_р и V_s можно рассчитывать механические константы массива горных пород (коэффициент Пуассона, модуль упругости).

Модуль упругости можно найти по формуле

(2)

где Е - модуль упругости, кг/см²;

r - плотность исследуемой среды кг/см³;

m - коэффициент Пуассона;

V_p - скорость продольной волны.

Коэффициент Пуассона определяется по формуле

(3)

По исследованиям К. В. Сахновского [1] можно определить модуль сдвига и модуль изгиба из зависимостей:

Е_сдв=0,425Е, (4)

Е_изг=0,625Е. (5)

В целях ускорения процесса вычисления упругих постоянных горного массива по значениям объемного веса и скоростей распространения упругих волн, можно использовать специальные номограммы. Так, по программе Кнопова или Рентч, при известном отношении каких-либо двух скоростей распространения упругих волн можно определить коэффициент Пуассона. Если известны величины коэффициента Пуассона для какой-либо горной породы, то модуль упругости может быть найден по номограмме /70/. Результаты проведенных нами экспериментальных исследований показали, что разница в определении упругих постоянных горного массива расчетным путем и по номограмме находится в пределах 1,5 - 2,5%. Это свидетельствует о том, что с достаточной для практики точностью можно использовать номограммы при определении механических постоянных горного массива.

Полученные нами экспериментальные данные и эмпирические формулы позволяют с достаточной точностью определять прочностные характеристики горных пород исследуемого участка.

В условиях естественного залегания прочностные характеристики горных пород иные, чем при испытании их в лабораторных условиях. Экспериментально нами установлено, что чем меньше размер образца, тем выше его прочность, так как образцы больших размеров будут более нарушенными внутренними трещинами и ослаблениями.

Таким образом, при определении физико-механических свойств горных пород в естественных условиях залегания необходимо учитывать прочностные характеристики образцов, полученные в лабораторных условиях. Кроме того, следует учитывать существование зон и поверхностей ослабления в куске, зон и поверхностей ослабления в массиве, которые можно фиксировать при прохождении упругих волн в исследуемой среде.

Результаты исследования физико-механических характеристик скального основания участков железных дорог в районе г. Лениногорска и Зыряновска показали, что эти характеристики изменяются вдоль пути и во времени.

Измерения производились в одном и том же месте в течение 12 лет. Данные показывают, что основные параметры, такие как модуль упругости и коэффициент Пуассона, изменяются со временем.

На этих участках также исследовались физико-механические характеристики скального основания вдоль пути. Для этого выбирались участки железных дорог со скальным основанием, находящиеся в пределах от 1,0 до 1,5 км. Скальные основания на опытных участках имели одинаковые типы горных пород.

Экспериментальные данные показывают, что модуль упругости и коэффициент Пуассона на одном и том же типе горных пород вдоль пути имеют значительный разброс. Это будет сказываться, например, на напряженно - деформированное состояние верхнего строения пути, его работоспособность вдоль пути будет неодинакова. На основе статистической обработки на ЭВМ данных исследования определены наиболее вероятные пределы изменения угла внутреннего трения, модуля упругости, коэффициента Пуассона, расположенных в основании железных дорог участка Защита - Лениногорск и Защита - Зыряновск, таблица 1.

Таблица 1 - Наиболее вероятные диапазоны изменения физико-механических свойств преобладающих типов горных пород в основании железных дорог участка Защита - Лениногорск и Защита – Зыряновск

Основные физико - механические свойства горных пород	Наименование горных пород
	Известняки	Доломиты	Туфы андезитоба зальтовый	Кремнисто- глинистый сланец	Алевролиты	Граниты выветренные
Модуль упругости 10^5 кг/см^2	1,60¸1,70 0,7	1,85¸1,90 0,76	1,62¸1,68 0,76	1,72¸1,77 0,88	1,50¸1,60 0,79	1,22¸1,28 0,81
Коэффициент Пуассона, e	0,15¸0,18 0,90	0,13¸0,15 0,88	0,11¸0,13 0,85	0,24¸0,28 0,90	0,14¸0,18 0,83	0,12¸0,15 0,91
Угол внутреннего трения, j, град	30,0¸35,0 0,88	30,0¸35,0 0,92	25,0¸30,0 0,86	30,0¸34,0 0,91	30,0¸33,0 0,91	30,0¸34,0 0,90

Примечание: числитель - диапазоны варьирования; знаменатель - вероятность появления

Для определения угла внутреннего трения горных пород, на исследуемых участках применялась известная методика [2], сущность которой заключается в использовании результатов испытания образцов горных пород на одноосное сжатие. Для этого фиксировался момент разрушения образца. Угол между плоскостью разрушения и плоскостью приложения нагрузки соответствует углу внутреннего трения.

Результаты определения угла внутреннего трения скальных и полускальных пород

В таблице 2 приведены значения угла внутреннего трения горных пород на исследуемых участках.

Таблица 2 - Значения угла внутреннего трения горных пород на исследуемых участках

Место отбора образца и грунта породы	Наименование горной породы	Угол внутреннего трения, j, град	Плотность g - 10^3, кгс/м^3
1. Лениногорск	Туфоалевролиты Кварцево-серици-товые сланцы Песчаники Кварцевые диориты Алевролиты Углисто-глинистые сланцы Граниты Кварциты	31 32 33 36 37 32 39	2,72 2,70 2,74 2,70 2,75 2,74 2,67 2,95
2. Зыряновск	Извястняки углистые Доломиты Туфы андезито - базальтовые Кремнисто-глинистые сланцы Глинистые сланцы Граниты выветренные	33 35 37 33 37 33	2,67 2,80 2,71 2,77 2,72 2,40
3. Ушкатын	Фельзиты Алевролиты Туфоалевролиты Песчаники Известняки	36 31 31 33 33	2,70 2,80 2,73 2,72 2,67
4. Акбакай	Гранодиориты Диориты Песчаники Кварцевые диориты Туфы	38 28 34 36 40	2,67 2,90 2,74 2,71 2,63

Полученные значения угла внутреннего трения горных пород могут быть использованы в расчетах напряженно-деформированного состояния элементов верхнего строения железнодорожного пути на скальном основании, а также устойчивости уступов при действии на них динамических нагрузок от движущегося железнодорожного состава.

Вывод. Анализ данных показывает, что при выборе конструкции верхнего строения и планировании ремонтных работ, а также при определении режима движения поездов по таким участкам следует учитывать изменение физико-механического состояния скального основания железнодорожного пути не только в пространстве, но и во времени. Для этого требуется организация постоянного наблюдения за скальным основанием железнодорожного пути, а также разработка методики оценки и выбора конструкции железнодорожного пути с учетом изменчивости физико-механических свойств в пространстве и во времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Закиров Р.С., Алимкулов Р.А., Турсымбекова Х.С. Пескозаносимость насыпей в пустынной и степной подзонах Казахстана. В кн. Инфраструктура, транспорт и связь - Казахстан 2030.- Алматы.: Гылым, 1998, с. 14-20.

2. Ермолаева Т.С. Закрепление откосов земляного полотна железных дорог и прилегающей полосы средствами фитомелиорации в условиях пустынь Средней Азии и Казахстана. Автореф. дис. канд.- Новосибирск. НИИЖТ. 1992. - 24с.

Сведения об авторе:

Ахметова Гульбану Акмолдиновна – инженер КУПС (Астана)

Казахский университет путей сообщения, ст. преподаватель

г. Алматы, Республика Казахстан

Технические науки, Транспорт

7 статей в изданиях Казахстана,

Изобретений нет

050063, г. Алматы, мкр. «Жетiсу-1», 32А, Гузееву М.Н.

тел. 8-(727) – 376-74-78

факс 8-(727) – 376-74-81