Предмет і методи дисципліни

“Механіка гірських порід ”

Кожна область сучасної техніки і технології повинна мати відповідні науково-теоретичні основи. Гірнича наука є теоретичними основами гірничої справи.

Згідно визначення академіка М.В. Мельникова “під гірничою наукою розуміється сукупність знань про:

а) природні умови залягання родовищ корисних копалин і фізичні явища, що відбуваються в товщі гірських порід при спорудженні гірничих виробок;

б) технологічні способи видобутку і збагачення корисних копалин;

в) організацію виробництва, котра забезпечить економічну і безпечну розробку родовищ ”.

Однією з фундаментальних частин гірничої науки як системи знань, на якій базується технологія гірничого виробництва, є фізика гірських порід і процесів. Механіка гірських порід є складовою частиною останньої. Виходячи з того, що поділ усіх галузей науки на фундаментальні і прикладні є відносним, механіку гірських порід слід розглядати як один з фундаментальних розділів гірничої науки; одночасно вона є прикладним розділом механіки взагалі.

Механіка гірських порід – це наука про міцність, стійкість і деформування гірських порід, гірничотехнічних об’єктів і споруд в полі природних і спричинених гірничими роботами сил гірського тиску а також про процеси механічного руйнування гірських порід.

Є і таке визначення наукової дисципліни “Механіка гірських порід ”: Це наука про механічні властивості гірських порід, закономірності їх зміни при дії тих чи інших факторів.

Деякі фахівці, зокрема академік Турчанінов, вважають, що коло питань, пов’язаних з руйнуванням гірських порід слід відносити до розділу фізики руйнування гірських порід. Однак, ми в курсі “Механіка гірських порід ” будемо розглядати і теоретичні основи руйнування порід.

Основним об’єктом вивчення механіки гірських порід є гірська порода, а точніше – механічні процеси, що відбуваються в масиві гірських порід.

За геологічним словником гірські породи – це природні мінеральні агрегати певного складу і будови, котрі утворюють в земній корі самостійні тіла.

В літературі зустрічається ще і таке визначення:гірські породи – це багатокомпонентні гетерогенні системи, котрі містять тверду, рідку і газоподібну фази..

В свою чергу, мінерали– це природні речовини приблизно однорідні за хімічним складом і фізичними властивостями, що є продуктами фізико-хімічних процесів у земній корі.

Слід відзначити, що мінеральні зерна, з яких складаються породи мають неправильну форму через стіснені умови їх зростання. Такі мінеральні частини називають кристалітами на відміну від кристалів, форма яких правильна. Переважна більшість мінералів – тверді кристалічні тіла. Рідше вони можуть бути аморфними.

Механіка гірських порід досить специфічна наука і відрізняється від інших розділів класичної механіки.

Це зумовлено, по-перше, особливостями гірських порід, механічні властивості яких неоднорідні.

По-друге, механічні і геометричні схеми задач механіки гірських порід суттєво відрізняються від схем класичних задач теорій пружності, пластичності, типових задач будівельної механіки, машинобудування та інших суміжних областей науки.

Як правило, в механіці гірських порід доводиться розглядати тримірні задачі, котрі не завжди можна звести до плоских задач теорії пружності. Крім того, деформації гірських порід лише в обмеженому діапазоні відповідають закономірностям теорії пружності. Суттєву роль в ряді задач, що стоять перед механікою гірських порід, відіграють реологічні процеси, тобто процеси, пов’язані з деформаціями порід в часі.

На кінець, механіка гірських порід стикається з широким класом задач, що вивчають деформування масивів порід не лише за межами пружних і пластичних деформацій, але і після розриву суцільності порід, що не зустрічається в інших розділах механіки.

В зв’язку з цим, загальна методологія механіки гірських порід полягає в широкому використанні і аналізі натурних спостережень з одночасним залученням методів і прийомів моделювання і аналітичних досліджень на базі теоретичних положень з основних розділів сучасної механіки, математичних і фізичних аналогій.

2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО БУДОВУ ЗЕМЛІ

На сьогодні гірничі роботи проводять на глибинах до 1000÷1500 м. В Європі є деякі копальні, глибина яких сягає близько 2000 м, в ПАР та Індії на окремих рудниках розробку провадять на глибинах понад 3000÷3500 м. Нафту і газ добувають з глибин до 6000÷7000 м. Найглибші опорні свердловини досягають глибини 9000 м. Реалізовано кілька проектів буріння до глибини 15 000 м.

Наведені факти дають уяву про глибини експлуатації земних надр, яких людство досягло сьогодні і зможе досягнути в найближчі десятиліття. Ці глибини знаходяться в межах верхньої частини земної кори, грубизна якої мізерна порівняно з розмірами Землі (нагадаємо, що екваторіальний радіус Землі 6378 км, полярний радіус – 6358 км). Однак, напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині, котра є предметом вивчення механіки гірських порід, тісно пов’язаний з глибинною будовою і розвитком Землі, вивченням яких займається геотектоніка.

За сучасними уявленнями Земля складається з концентричних оболонок, або геосфер (рис. 1). Зовнішніми оболонками є газова (атмосфера) й водна (гідросфера). З цими оболонками межує земна кора, грубизна якої змінюється від 5 до 15км під океанами і до 60÷80 км під гірськими районами. Розрізняють континентальну кору (складається з осадового, “гранітно-метаморфічного ” і “базальтового ” шарів) і океанічну кору (гранітний шар відсутній або має незначну грубизну). Земна кора складається з кисню (47,2 % за вагою), кремнію (27,6 %), алюмінію, заліза, кальцію, натрію, калію, магнію й водню, які разом становлять близько 99% її ваги. В земній корі зосереджена переважна частина корисних копалин.

Земна кора відділена поверхнею Мохоровичича від мантії Землі, яка простягається до глибини 2900км. В межах останньої виділяють верхню і нижню мантію. Верхня частина мантії називається субстратом. Субстрат разом з земною корою утворює літосферу.

Нижня частина верхньої мантії – астеносфера, або шар порід з пониженою швидкістю розповсюдження сейсмічних хвиль. Блоки літосфери плавають у в’язко-пластичній речовині астеносфери.

За сучасними уявленнями склад мантії близький до складу кам’яних метеоритів – у ній переважають кисень, кремній, магній, залізо.

На глибині 2900 км міститься ядро Землі, радіус якого становить близько 3500 км. у його складі виділяють суб’ядро (тверде ядро) радіусом 1300 км та зовнішнє рідкеядро.

Глибинні шари Землі нагріті більше, ніж поверхневі. Головним джерелом внутрішнього тепла Землі є розпад радіоактивних елементів у її надрах.

Тектонічна будова літосфери досить складна. Літосфера складається із структурних елементів різних порядків – так званих глибинних і корових тектонічних структур.

Глибинними структурами першого порядку є континенти і океанічні області кори.

Глибинні структури другого порядку – це рухомі геосинклінальні пояси і відносно нерухомі платформи.

Перераховані вище структури називають планетарними.

Тектонічні структури нижчих порядків – третього і четвертого – називають регіональними.

Особливе значення в тектонічній будові і розвитку земної кори мають глибинні розломи, які є первинними елементами будови земної кори. Глибинні розломи і розриви земної кори є тими природними швами, по яких протягом усієї геологічної історії Землі безперервно відбувалися тектонічні рухи, які поділяють на такі типи:

а) пульсації або загальні коливання;

б) загальні підняття і опускання;

в) хвильові рухи;

г) складчасті і блокові рухи.

Причинами тектонічних рухів і деформацій земної кори і пов’язаними з ними тектонічними силами за уявленнями академіка Пейве можуть бути речовинна, теплова, густинна, механічна неоднорідність земної кори і верхньої мантії, непостійність швидкості обертання Землі, нутація і прецесія її осі.

Отже, головна концепція сучасної механіки гірських порід полягає в тому, що напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині зокрема визначається дією двох незалежних силових полів. Одне з них – гравітаційне поле – зумовлене дією земного тяжіння. Друге – тектонічне поле – зумовлене нерівномірним розподілом в просторі швидкості тектонічних рухів і швидкості деформації земної кори, тобто наявністю градієнта тектонічних рухів.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.