книги / Физико-механические свойства горных пород
..pdfПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий сборник посвящен исследованиям физико-механи ческих свойств горных пород.
Физико-механические свойства горных пород и полезных иско паемых оказывают существенное влияние на многие производст венные процессы в различных отраслях промышленности. Эти свой ства необходимо учитывать при бурении геологоразведочных, неф тяных и газовых скважин, при строительстве тоннелей, каналов и гидростанций, а также различных промышленных сооружений, при проходке стволов шахт и горных выработок, при выемке полезных ископаемых, при управлении горным давлением, при перегрузке и транспортировании полезных ископаемых и пустых пород, при хра нении, обогащении и переработке полезных ископаемых.
От физико-механических свойств горных пород существенно за висит выбор систем разработки и средств механизации выемки, выбор рациональных режимов работы многих горных машин, рас чет устойчивости целиков и бортов карьеров, выбор типов и раз меров крепления, типов и размеров дробильных установок и т. п.
Все это подтверждает важность и необходимость изучения фи зико-механических свойств горных пород для горной науки.
Внастоящее время в СССР и за рубежом исследованиями фи зико-механических свойств горных пород занимается большое число научно-исследовательских организаций.
Вряде организаций созданы специальные лаборатории по ис следованию физико-механических свойств горных пород. В неко
торых вузах начата подготовка специалистов по физике горных
пород.
В дальнейшем в тематических сборниках будут помещены статьи, посвященные не только определению свойств горных по род, но и методам искусственного изменения этих свойств для об легчения разрушения пород или же повышения их устойчивости. В статьях будут отражены не только вопросы механики горных по род, а также связь их свойств с химией, кристаллографией, мине ралогией и петрографией. Предполагается не ограничиваться рас смотрением горных пород как некой сплошной изотропной среды, а намечено изучение их как несплошных и неоднородных сред. В сборнике будут помещены статьи методического характера, по
3
священные разработке новых и усовершенствованию старых мето дов исследования свойств горных пород как в лабораторных усло виях, так и в массиве, также будут приведены фактические ре зультаты исследований свойств горных пород и зависимости меж ду различными показателями, характеризующими эти свойства.
Значительная часть статей настоящего тематического сборника написана сотрудниками лаборатории исследования физико-меха нических свойств горных пород ИГД им. А. А. Скочинского, а так же сотрудниками Других лабораторий.
I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проф., докт. техн. наук М. М. ПРОТОДЬЯКОНОВ, канд. техн. наук М. Ф. КУНТЫШ
ПЕРЕХОД ОТ КРИВЫХ СРЕЗА СО СЖАТИЕМ К ОГИБАЮЩИМ НАИБОЛЬШИХ КРУГОВ НАПРЯЖЕНИИ МОРА
В период с 1960 по 1963 г. в лаборатории исследования физи ко-механических свойств горных пород ИГД были проведены срав нительные экспериментальные исследования методов построения паспортов прочности горных пород.
Для исследования были выбраны шесть пород—известняк, габ бро, доломит, песчаник, барит-полиметаллическая руда и мраморизованиый известняк.
Для этих пород были определены: предел прочности на сжатие; предел прочности на растяжение; сопротивление срезу со сжатием под углом 20 и 40°; сопротивление пород в условиях объемного сжатия; деформации сплошных и полых образцов при испытаниях соосными пуансонами.
По данным экспериментальных исследований строились пас порта прочности горных пород согласно существующим методи кам построения ![1—5].
При планировании экспериментов основное внимание уделялось обеспечению таких условий и режимов опыта, которые дали бы возможность сопоставить полученные паспорта. Для этого раз меры образцов в опытах на растяжение, сжатие, срез и объемное сжатие принимались одинаковыми; сохранялись одинаковыми ре жимы и скорости нагружения.
У всех подлежащих испытанию образцов одинаковой обработке подвергали торцовые поверхности (разрезка кернов алмазным ди ском с последующей доводкой торцов на шлифовальном станке).
Прочность на сжатие определялась непосредственным раздав ливанием образцов на прессе. Для опыта брались образцы, у ко
торых отношение — =1,5. Прочность на растяжение находилась
d
путем раскалывания цилиндрических образцов усилиями, прило женными по диаметрально противоположным образующим. Испы тания на срез производились в срезном приборе с соблюдением
5
точной подгонки образцов к матрицам. Угол среза был принят 20 и 40°. Попытки осуществить срез под углом 60° к направлению сре зающего усилия не дали надежных результатов.
Прочность пород при объемном сжатии определялась в зависи мости от типа пород при боковых давлениях 02 = 03 = 70-4-1000 ати на установке, разработанной В. С. Вобликовым и модернизирован ной нами в области улучшения узлов передачи нагрузки и изоля ции образцов от внешней среды.
При испытаниях на установке напряженное состояние образ ца, выраженное в главных напряжениях, описывалось формулой
Р
F
где р —гидростатическое давление внутри камеры, определяемое по манометру, ати;
Р —усилие, развиваемое прессом, кГ; 5ШТ—площадь поперечного сечения штока, см2;
F —площадь поперечного сечения образца до деформирова ния, см2.
При испытаниях методом соосных пуансонов диаметры образ цов изменялись от 30 до 72 мм, высота образцов была принята 15 мм, а диаметры пуансонов 10 и 15 мм, что соответствовало пло щади зоны загружения 0,785 и 1,76 см2. Для наклейки датчиков на образец применялся бакелитно-фенольный клей БФ-4. Замер де формаций образцов в ненагруженной зоне производился как с по мощью кольцевых датчиков, так и с помощью обычных малобазных тензодатчиков ПБ-10-100А Томского завода. Испытания про изводились на приборе ПСП-1, а замер деформаций во внешней части образца осуществлялся на установке ПЭТ-30 конструкции ЦНИИТМАШ.
Результаты исследования пород, их характеристика и расчет ные величины при испытаниях в условиях объемного сжатия мето дом среза со сжатием и соосными пуансонами приведены в табл. 1, 2 и 3.
По результатам экспериментальных исследований строились паспорта прочности. Наряду с этим паспорт прочности рассчиты вался по обобщенному уравнению огибающей [6] по данным экспе риментального определения <тсж и ор.
Для удобства сопоставления и установления количественных соотношений между зависимостями x= f(a), полученными различ ными методами, они показаны на совмещенных диаграммах (рис. 1—5).
Линией / на рисунках показана огибающая к предельным кру гам, полученным при испытаниях образцов в условиях объемного сжатия, линией II—кривая среза (кривая, построенная по расчет ным величинам нормальных и касательных напряжений в плоско-
6
Т а б л и ц а 1
Размеры образцов и результаты испытания пород в условиях объемного сжатия
Порода
Известняк подмоскавный
кГ/см растяжению2 Сопротивление„,G
60
Размеры образцов, мм |
Напряженное состояние |
|||
в момент разрушения |
||||
|
|
|||
диаметр |
высота |
Со -- 33, |
|
|
кГ/см2 |
кГ/см2 |
|||
|
|
|||
30 |
30,0 |
0 |
380 |
|
30 |
30,1 |
70 |
550 |
|
30 |
30,0 |
70 |
530 |
|
30 |
30,1 |
70 |
495 |
|
30 |
30,1 |
150 |
690 |
|
30 |
30,0 |
150 |
720 |
|
30 |
29,9 |
150 |
780 |
|
30 |
29,9 |
250 |
920 |
|
30 |
30,1 |
250 |
900 |
|
30 |
30,0 |
250 |
870 |
Габбро Головин- |
208 |
30 |
45,0 |
Нет данных |
2000 |
|||
ского |
месторождения |
|
30 |
45,2 |
|
250 |
3510 |
|
|
|
|
|
30 |
44,9 |
|
400 |
4180 |
|
|
|
|
30 |
45,1 |
|
600 |
4820 |
|
|
|
|
30 |
45,0 |
|
750 |
5250 |
|
|
|
|
30 |
45,1 |
|
900 |
5580 |
Доломит |
Подоль |
155 |
32 |
45,0 |
Нет данных |
1240 |
||
ского |
месторождения |
|
32 |
45,1 |
|
100 |
1950 |
|
|
|
|
|
32 |
45,1 |
|
200 |
2520 |
|
|
|
|
32 |
44,9 |
|
400 |
3160 |
|
|
|
|
32 |
44,9 |
|
700 |
3740 |
|
|
|
|
32 |
45,0 |
|
1000 |
4220 |
Песчаник |
Кузбасса |
97 |
30 |
45,0 |
Нет данных |
1175 |
||
|
|
|
|
30 |
44,9 |
|
100 |
1760 |
|
|
|
|
30 |
44,9 |
|
200 |
2350 |
|
|
|
|
30 |
45,0 |
|
310 |
2320 |
|
|
|
|
30 |
45,2 |
|
575 |
3740 |
|
|
|
|
30 |
45,0 |
|
960 |
5245 |
Барит-полиметал- |
150 |
31,5 |
45,0 |
Нет |
данных |
1860 |
||
лическая руда |
|
31,5 |
45,0 |
|
200 |
3500 |
||
|
|
|
|
31,5 |
45,0 |
|
400 |
4205 |
|
|
|
|
31,5 |
44,9 |
|
700 |
4940 |
|
|
|
|
31,5 |
45,1 |
|
925 |
5250 |
Известняк мраморн- |
92 |
31,3 |
45,0 |
Нет |
данных |
820 |
||
зсызанный Шерегешев- |
|
31,3 |
45,0 |
|
200 |
1340 |
||
ского |
месторождения |
|
31,3 |
45,2 |
|
400 |
1950 |
|
|
|
|
|
31,3 |
44,9 |
|
700 |
2300 |
|
|
|
|
31,3 |
44,9 |
|
1000 |
2820 |
7
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
|
Характеристика образцов и результаты испытаний на срез |
|
|||||
|
со сжатием в наклонных матрицах |
|
|
|||
|
Размеры образцов, |
Напряжения в плоскости среза |
||||
Порода |
|
мм |
|
20° |
|
40° |
|
|
ап |
1I ~п |
|
1 |
|
|
диаметр |
длина |
|
|||
|
|
кГ/см2 |
|
кГ 1см2 |
||
|
|
|
|
|
||
Известняк............ |
30 |
45 |
— |
— |
— |
— |
Габбро . . . . . . . . |
30 |
45 |
155 |
400 |
500 |
580 |
Доломит............... |
32 |
45 |
115 |
250 |
335 |
355 |
Барит-полиметал- |
31,5 |
45 |
125 |
350 |
450 |
530 |
лическая руда . |
||||||
Песчаник . . . . . . |
30 |
45 |
100 |
265 |
380 |
420 |
Известняк мрамо- |
31,5 |
45 |
30 |
90 |
120 |
120 |
ризованный . . . |
Таблица 3
Характеристика образцов и результаты испытаний методом соосных пуансонов
|
|
об мм |
Порода |
|
Диаметр разцаД, |
|
|
|
Доломит............... |
72,0 |
|
|
|
72,0 |
|
|
42,0 |
|
|
42,0 |
|
|
30,0 |
Габбро .................. |
71,5 |
|
|
|
71,5 |
|
|
42,0 |
|
|
42,0 |
|
|
30,0 |
Известняк |
. . . . |
98,0 |
|
|
72,0 |
57,0
42,0
30,0
пуан мм |
D_ |
|
Диаметр сонаd, |
||
d |
||
|
||
10 |
7,2 |
|
10 |
7,2 |
|
10 |
4.2 |
|
10 |
4,2 |
|
10 |
3,0 |
|
10 |
7,15 |
|
10 |
7,15 |
|
10 |
4,2 |
|
10 |
4,2 |
|
10 |
3,0 |
|
10 |
9,8 |
|
10 |
7,2 |
|
10 |
5,7 |
|
10 |
4,2 |
|
10 |
3,0 |
Напряження, кГ/см о
|
|
С1 |
О |
|
|
1 |
|
Zl |
?2 = 5., |
"Г* |
1 |
н |
|||
|
|
и |
и> |
|
|
- Iм |
- I е4 |
3630 |
890 |
2260 |
1370 |
2980 |
625 |
1807 |
1177 |
2450 |
470 |
1460 |
940 |
1970 |
510 |
1240 |
730 |
1840 |
130 |
960 |
855 |
4620 |
1020 |
2820 |
1800 |
5250 |
1120 |
3185 |
2065 |
3440 |
635 |
2037 |
1400 |
2540 |
380 |
1460 |
1080 |
3050 |
495 |
1772 |
1277 |
980 |
295 |
637 |
342 |
960 |
280 |
620 |
340 |
820 |
205 |
512 |
307 |
680 |
125 |
402 |
277 |
540 |
100 |
320 |
220 |
8
z
г
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
2500 |
|
|
|
|
|
|
____ fl_ |
|
|
|
|
|
|
|
? \ 3T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
оi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'1500 |
|
|
• s |
s |
r . |
\w _ 1 |
\ \ |
|
|
|
|
|
|
|
IV, |
||||
щ щ |
k |
> |
■ A . |
|
|||||
WOO. |
JA |
Г \ \ й |
9 |
|
\ |
\ |
|
N |
|
500 |
\ |
|
|
|
\ |
||||
о |
500. |
WOO |
1500 |
2000 2500J3000 3500 W O |
U500 5000 G |
||||
|
Рис. |
2. Зависимости x=f(a) для песчаника |
|
z
Рис. 3. Зависимости x=f(a) для барит-полиметаллической руды
Г
Рис. 4. Зависимости т= /(а) для мраморизаванного известняка