Características de distribución de los parámetros de la mecánica de rocas.
La roca es el material componente del macizo rocoso. Sus propiedades geológicas de ingeniería generalmente no determinan directamente la estabilidad del macizo rocoso, pero es uno de los factores importantes que afectan la estabilidad del macizo rocoso. En macizos rocosos con estructuras de bloques completos y macizos rocosos débiles, la estructura no juega un papel protagónico en la deformación y destrucción del macizo rocoso, y las características de la roca no son esencialmente diferentes de las del macizo rocoso. Las propiedades geológicas de ingeniería del macizo rocoso incluyen tres aspectos principales: propiedades físicas, propiedades hidráulicas y propiedades mecánicas, pero el más importante son las propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas básicas de la roca incluyen elasticidad, plasticidad, endurecimiento, resistencia, rigidez y tenacidad. Los diferentes tipos de rocas tienen diferentes grados de deformación y revelan diferentes propiedades mecánicas. Algunas propiedades son relativas, como la fragilidad y la ductilidad. Hoy en día generalmente se mide por la deformación residual después de la rotura o la deformación total cerca de la rotura. Si la deformación máxima antes de la rotura es inferior al 3% es frágil, si es superior al 5% es dúctil y entre 3%. % y 5%, es sexo de transición. Por lo tanto, en ingeniería geológica y evaluación de la calidad y estabilidad de la roca del techo, es necesario estudiar específicamente las propiedades mecánicas de deformación de las rocas sedimentarias.
Las propiedades mecánicas de las rocas se refieren principalmente a las características de deformación y resistencia de las rocas. Para estudiar las características de resistencia y deformación de las rocas y el proceso de desarrollo de la fractura de la roca, uno de los métodos básicos es utilizar una máquina de prueba de mecánica de rocas para realizar pruebas de compresión uniaxial o triaxial en muestras de roca cilíndricas. La expresión más intuitiva de las características de deformación de la roca es la curva de relación tensión-deformación (Figura 6.1). La curva de relación tensión-deformación obtenida en una máquina de ensayo rígida reproduce las características de fortalecimiento y ablandamiento de la roca. Para la mayoría de las rocas, cuando la tensión excede la resistencia a la compresión de la roca, la roca sufrirá una falla progresiva debido a la expansión de las microfisuras internas, y la resistencia disminuirá gradualmente (ablandamiento por deformación), acompañada de una expansión de volumen (expansión) hasta alcanza el valor de intensidad residual. Por lo tanto, el período desde la resistencia máxima hasta la resistencia residual puede considerarse como el proceso de desarrollo de la roca desde intacta hasta rota.
El proceso de deformación de la roca ideal se puede dividir aproximadamente en tres etapas (Figura 6.1): etapa de deformación elástica, etapa de deformación plástica y etapa de falla. En la etapa elástica, existe una relación lineal entre tensión y deformación, y cuando la fuerza externa desaparece, la deformación se puede restaurar por completo. En la etapa plástica, la deformación aumenta bruscamente con el aumento de la tensión, y la relación entre las dos es una curva convexa, y la deformación no se puede restaurar por completo una vez que se elimina la fuerza externa. Cuando la fuerza externa aumenta hasta cierto límite, la muestra se dañará.
Figura 6.1 Curva tensión-deformación de la roca ideal
Sin embargo, el proceso de deformación de la roca real es mucho más complicado que el de la roca ideal. Su composición mineral y estructura son diferentes, y. Incluso aparecen algunas pequeñas grietas. R.P. Miller realizó extensas pruebas de compresión uniaxial en 28 tipos de rocas y resumió seis tipos de relaciones tensión-deformación (Figura 6.2).
Tipo I: Tipo elástico, la curva tensión-deformación tiene características de deformación muy cercanas a una línea recta, deformación principalmente elástica, poca deformación cuando se rompe bruscamente, rocas en su mayoría frágiles. A este tipo pertenecen el basalto, la cuarcita, el gabro, la dolomita y las calizas más duras.
CurⅡ: La curva de elasticidad-plasticidad, tensión-deformación muestra una relación funcional simple y la deformación residual es grande durante la descarga. A este tipo pertenecen las calizas más blandas, limolitas, tobas, etc.
Figura 6.2 Curva tensión-deformación típica de una roca desde la compresión uniaxial hasta la falla
Categoría 3: Plasticidad-elasticidad, la curva tensión-deformación comienza siendo cóncava y ligeramente hacia arriba. Se curva, luego se vuelve cóncavo, se dobla ligeramente hacia abajo, no cede y falla por fractura frágil. La arenisca, el granito, el gneis y algunos gabros que se esfuerzan paralelamente a la dirección del lecho pertenecen a este tipo.
Tipo 4: Plasticidad-Elasticidad-Plasticidad, la curva tensión-deformación comienza a curvarse hacia arriba de manera cóncava, con un segmento de línea aproximadamente recta en el medio, y luego se curva hacia abajo. En general, la curva adquiere una pendiente pronunciada. Forma de S. Pertenecen a este tipo las rocas metamórficas, el mármol y el gneis.
Tipo cinco: tipo elástico-plástico-elástico, la curva tensión-deformación tiene una suave forma de S. Este tipo incluye gneis, etc., que se tensan perpendicularmente a la dirección del lecho.
Categoría 5: Elasticidad-Plasticidad-Elasticidad.
Categoría 6: Tipo elastoplástico-fluencia, es decir, después de que la deformación de la muestra de roca alcanza una determinada etapa, la deformación aumenta con el tiempo. La tensión-deformación tiene una parte lineal inicial corta y luego entra en la etapa de deformación plástica, que puede producir deformaciones plásticas mayores. Los ejemplos incluyen halita, potasa y otros tipos de evaporita.
Entre estos seis tipos, las partes iniciales de las curvas III, IV y V son todas curvas cóncavas hacia arriba. Los experimentos han demostrado que esto se debe a que las rocas experimentales tienen mayor porosidad, microfisuras o escamas. En el tejido, a medida que aumenta la tensión, los microporos y microfisuras se cierran o densifican, y la curva tensión-deformación en la etapa inicial refleja este proceso.
Las características de deformación de las rocas se pueden representar mediante una serie de parámetros de deformación. Para la deformación por tracción o compresión, los parámetros de deformación más importantes son el módulo de deformación (E) y la relación de Poisson (μ).
Las principales vetas de carbón y las vetas de carbón del techo de la Formación Shanxi en el yacimiento de carbón de Yanzhou se formaron en sedimentos del delta de aguas poco profundas. La litología sedimentaria consiste en arenisca, limolita, lutita limosa, lutita, arcilla y vetas de carbón. Rocas clásticas terrígenas. Debido a las diferencias en la litología y combinaciones del techo, la estabilidad del techo es diferente. La práctica de producción muestra que generalmente los techos de arenisca tienen una alta estabilidad y grandes pasos de colapso iniciales, mientras que los techos de lutita tienen poca estabilidad y pequeños pasos de colapso iniciales.
Tabla 6.1 Propiedades físicas y mecánicas de 3 vetas de carbón
Tabla 6.2 Propiedades físicas y mecánicas de techo recto, techo antiguo y piso con diferente litología
De un Punto de vista mecánico, rocas sedimentarias La influencia de las propiedades de la roca en la estabilidad del techo depende principalmente de la resistencia mecánica de la roca. Las pruebas han demostrado (Tabla 6.1, Tabla 6.2) que las propiedades mecánicas de cualquier roca varían ampliamente y que el rango de intersección con otras rocas también es grande. Por ejemplo, la resistencia a la compresión uniaxial de la arenisca en Yanzhou Coalfield es de 48,7 ~ 76,8 MPa. La arenisca es de 34,0 a 57,0 MPa, la lutita es de 29,5 a 40,1 MPa y la veta de carbón es de 11 a 18 MPa. Otros parámetros también tienen características similares, lo que refleja que las propiedades mecánicas del mismo tipo de roca son bastante diferentes, y también. muestra que el impacto sobre las rocas sedimentarias Hay muchos factores relacionados con las propiedades mecánicas, como la composición, estructura, componentes de cementación, tipo de cementación y tipo de soporte de las rocas sedimentarias, todos los cuales afectan las propiedades mecánicas de las rocas. Aunque las propiedades mecánicas de la roca de la misma litología varían mucho, todavía se puede ver que la compresión uniaxial, la resistencia a la tracción y los indicadores de calidad de la roca son los más grandes en la arenisca, seguidos por la limolita, la lutita es más pequeña y la veta de carbón es la más pequeña. Por lo tanto, el tipo de litología tiene una influencia importante en la resistencia y la calidad de la roca.