книги / Физико-механические свойства горных пород

же с увеличением ее твердости коэффициент пластичности умень­ шается по некоторому криволинейному закону.

При использовании полученных нами данных в расчетах сле­ дует учитывать, что они могут оказаться несколько завышенными. Это предположение связано с тем, что при испытании пород иссле-

'дование влияния масштабного фактора на их механические свойст­ ва нами не проводилось вследствие ограниченных размеров кер­ нов, взятых из разведочных скважин. Однако более ранними ис­ следованиями [8—12] установлено, что по мере увеличения сечения испытуемого образца численное значение прочности горных пород уменьшается и при более значительных размерах образцов асимп­ тотически приближается к некоторому минимуму, который и бу­ дет характеризовать прочность породы в массиве. Такое уменьше­ ние прочностных характеристик горных пород с увеличением раз­ меров образцов обусловлено в основном наличием в них большого количества трещин и неоднородностей.

Площадь раскалывания испытанных нами горных пород Талнахского месторождения изменялась от 3 до 18 см2, в редких слу­ чаях—от 2 до 29 см2 (см. таблицу, графы 13, 14, 15). Для значи­ тельного количества пород в этом диапазоне изменения их площа­ дей нам не удалось установить тенденции к выполаживанию кри­ вых зависимости временного сопротивления разрыву от площади разрушаемого образца. Поэтому можно считать, что прочность горной породы на разрыв в целике будет ниже среднего минималь­ ного предела прочности, приведенного в графе 16 сводной таб­ лицы. Средний минимальный предел прочности на разрыв <з'р нами вычислялся как среднее из нескольких минимальных значений раз­ рывающих напряжений.

Отношение среднеарифметического предела прочности на раз­ рыв ор к среднеминимальному значению о'р (см. графу 18 табли­ цы) при достаточно больших изменениях площадей раскола может до некоторой степени характеризовать трещиноватость и неодно­ родность горной породы.

При испытаниях горных пород в условиях сжатия масштабный эффект, связанный с трещиноватостью и другими природными структурными дефектами, проявляется значительно слабее чем при разрыве.

Необходимо также иметь в виду, что в большинстве случаев под влиянием воды прочность пород на сжатие уменьшается на 20—40%, что имеет существенное значение при работе в обводнен­ ных выработках.

В расчете по выбору оптимальных размеров целиков и несущей способности крепи следует ориентироваться на самые слабые по­ роды и учитывать их минимальный предел прочности (см. графу 16 таблицы), так как в основном они будут определять устойчивость горных пород при подземной разработке месторождения.

91

93

94

дятся в объемном напряженном состоянии. Устойчивость, дефор­ мируемость и разрушаемость таких пород как в массиве, так и при обнажении их горными выработками в основном зависят от их ме­ ханических свойств при данном конкретном состоянии.

Для того чтобы выявить влияние воды на механические свойст­ ва пород, а следовательно, и на их поведение в горных выработ­ ках, нами проведены испытания и сопоставление прочности горных пород при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии.

Испытание было проведено на 42 пробах по 24 разновидностям пород и руд, отобранных с разных глубин разведочных скважин Талнахского месторождения. Из них 28 проб перед насыщением водой высушивались до постоянного веса, а 14 проб насыщались при влажности, изменяющейся от 0,1 до 1,5%.

Эти опыты выполнялись при участии старших лаборантов Е. Т. Рамзаевой и О. И. Квашниной и механика Н. И. Пожидаева.

Образцы пород кубовидной формы насыщались водой посте­ пенно на протяжении 60—150 дней. Так как объем образцов был небольшой, то их насыщение было полным и равномерным.

Разрушение образцов горных пород проводилось на механиче­ ских прессах с одного нагружения и при одинаковой скорости на­ гружения.

Все опыты велись при действии разрушающей нагрузки, на­ правленной перпендикулярно напластованию пород. Из-за отсутст­ вия достаточного количества проб измерение водного ослаблена? параллельно напластованию не проводилось. Однако некоторые единичные опыты, проведенные на других породах, показали зна­ чительно большее снижение прочности водонасыщенных пород при разрушении их нагрузками, направленными параллельно напласто­ ванию, по сравнению с прочностью тех же пород при действии раз­ рушающей нагрузки, направленной перпендикулярно напластова­ нию.

В таблице приведены результаты исследований по изменению прочностных свойств горных пород под влиянием воды.

ч В указанной таблице содержатся данные, относящиеся к caмъгм разнообразным породам, прочность на сжатие которых в су­ хом состоянии изменялась в широких пределах (примерно в 10 раз). Однако преобладающее большинство исследуемых пород отличается значительной прочностью и относится к крепким поро­ дам. К числу особенно крепких пород (у которых прочность на сжатие больше 1400 кГ/см2) можно отнести ряд разновидностей базальтовой и габбровой групп, оруденелые роговики и ангидри­ ты и другие.

Средние величины прочности на сжатие для базальтов лабра­ дорового и пикритового, габбро-долерита, ороговикованного пес­ чаника, роговика и полимиктового песчаника достигает 2020— 2612 кГ1см2.

9 5

Наряду с такими крепкими породами насыщение водой нами проводилось также и на породах, прочностные свойства которых намного уступали прочностным'свойствам других пород месторож­ дения. Так, скарнированные габбро-диабазы из рудной группы, а также скарн из группы контактно-измененных пород относятся к сильно выветрелым породам с высоким процентом пористости, об­ разовавшейся в результате выщелачивания карбонатов и частично сульфатов. У них, наряду с мелкими порами, имеются поры и пу­ стоты размером от 0,1 до 1 см. У такой породы, как пикритовый базальт, крупные зерна разбиты трещинами, по которым развива­ лись продукты выветривания (соссюрит), а базальтовое стекло ме­ стами полностью превращено в серпеитин-хлористую массу. Для таких нарушенных пород средняя прочность на сжатие значитель­ но занижена и для скарна она составляет 262 кГ1см2, а для пикритового базальта—760 кПсм2. Эти же породы под влиянием воды понижают свою прочность .на 38—40%.

Примерно такое же снижение прочности наблюдается и для не­ которых крепких пород, таких как габбро-долерит, ороговикованный песчаник и др.

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает следую­ щее:

ха.лькоритовая жила, взятая из разных скважин и глубин при насыщении ее водой уменьшает свою прочность на 19—23%, в то время как пирротиновая жила в тех же условиях почти не изменя­ ет своей прочности, а проба, взятая из скважины № 107, даже не­ сколько повышает свою прочность;

группа габбро-диабазов, представленная 13 пробами по 7 раз­ новидностям, уменьшает свою прочность от 10 до 40%;

группа базальтов, представленная 9 пробами по 5 разновидно­ стям, уменьшает свою прочность от 15 до 41 %;

только миндалекаменный базальт повышает свою прочность на 5%.

Под влиянием воды уменьшают свою прочность: скарн на 37%, ороговикованный песчаник и оруденелый ангидрит с мергелем более чем на 40%.

Итак, испытания пород на сжатие в сухом и в насыщенном вбдой состоянии показали, что в преобладающем большинстве слу­ чаев под влиянием воды прочность пород уменьшается.

Для небольшой группы пород прочностные свойства почти не изменяются. Иногда наблюдается даже небольшое увеличение прочности породы, после насыщения ее водой. Это можно объяс­ нить повышенной прочностью тех отдельных образцов, которые бы­ ли оставлены для насыщения водой.

Из всех подвергнутых испытанию пород после насыщения их во­

96

Канд. техн. наук Е. И. ИЛЬНИЦКАЯ

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА УГЛЕЙ И ПОРОД ИРША-БОРОДИНСКОГО

УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

Прочностные свойства бурых углей и пород Ирша-Бородинско- го угольного разреза Канско-Ачинского бассейна изучались лабо­

временное сопротивление одноосному сжатию асж, кГ1см2; временное сопротивление одноосному разрыву о,„ кГ/см2;

временное сопротивление одноосному срезу то, кГ/см2; угол внутреннего трения р°; коэффициент крепости /; твердость Т и пластичность /Су ;

(7сж хрупкость ------ ;

°р объемный вес у г/см*;

влажность в блоке угля и в образце -после его испытания W, %'.

Там, где позволял материал, были также проведены и некото­ рые методические исследования. Так, временное сопротивление срезу определялось как из паспорта прочности, построенного на ос­ нове расчетного метода определения параметров предельной оги­ бающей по координатам кругов одноосного сжатия и растяжения ш . так и из опытов по срезу со сжатием образцов угля правиль­ ной геометрической формы в наклонных матрицах [2].

Временное сопротивление сжатию определялось как на образ­ цах правильной геометрической формы, так и на образцах полуправильной формы [3]. Разрушающее усилие при сжатии направля­ лось перпендикулярно слоистости. Исследован также вопрос о влиянии масштабного фактора на прочность углей при их раска­ лывании.

Прочность угля на разрыв определялась методом раскалыва­ ния угольных пластин толщиной 2—3 см [3]. Оси раскалывающих клиньев располагались с таким расчетом, чтобы плоскости отры­

ва были ориентированы перпендикулярно слоистости. Для повы­ шения надежности результатов измерений по раскалыванию каж­ дый опыт повторялся от 17 до 37 раз. Временное сопротивление разрыву определялось в широком диапазоне изменения площади разрыва (до 13 раз).

Крепость углей и пород определялась методом толчения [4], а их твердость по показаниям склероскопа Шора методом повторных соударений—отскоков.

Угол и коэффициент внутреннего трения для углей и пород оп­ ределялись из построенных паспортов прочности. Хрупкость пород и углей оценивалась по отношению прочности при одноосном сжа­

тии к прочности на разрыв.

Результаты всех исследований по углю приведены в сводной табл. 1, из которой видно, что:

временное сопротивление одноосному сжатию составляет для углей, взятых из уступа 2, около 150 кГ/см2, а для углей, взятых с экспериментального участка над междупластием,—109 кГ/см2 и под междупластием—136 кГ/см2\

средние величины временного сопротивления разрыву для угля, взятого из уступа 2, так же, как и временное сопротивление сжа­ тию, несколько выше (где сгр изменялась от 9,3 до 11,8 кГ/см2),

чем для экспериментального участка (где ор колебалась от 7,9 до

8,8 кГ/см2) ; паспортное сопротивление срезу углей, взятых из уступа 2, со­

ставило 60 кГ1см2, а для углей, взятых с экспериментального участ­ ка, 40—48 кГ/см2. Сопротивление угля срезу определялось из пас­ портов прочности, построенных по методике М. М. Протодьяконова (рис. 1 и 2);

угол внутреннего трения для разных проб угля изменялся от 35 до 36° 30'.

Коэффициент пластичности Ку, изменяющийся от 32 до 44, твердость Т, которая колебалась в пределах от 53 до 60, и объем­ ный вес у, равный 1,2 Г1см3, для всех углей были почти одинаковы­ ми.

Коэффициент крепости /, определенный методом толчения, для угля, взятого из уступа 2, несколько завышен, видимо, за счет имевшихся в нем случайных небольших включений, так как по­ вторные определения показали, что /~ 1,8 такого же порядка, как и на остальных пробах угля.

Методические исследования показали, что:

для углей, взятых из-под междупластия экспериментального участка, временное сопротивление одноосному сжатию, определен­ ное на образцах правильной и полуправильной формы, примерно одинаково и соответственно равно 139 и 136 кГ/см2\

для углей, взятых из уступа 2, временное сопротивление срезу, определенное из опытов на срез со сжатием в наклонных матри­ цах, а также из паспортов прочности (построенных по опытам од-

98

1