книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

где m — масса падающего груза, Н -с2 /м; v — скорость в момент уда­ ра индентора о породу, м/с; I — глубина внедрения индентора в поро­

ду, м.

Динамическая твердость (Н/м2)

= rrw^KlS),

где S — площадь штампа, м 2. Динамическая жесткость (Н*с/м)

= ^кр/икр»

где v кр —скорость индентора при первом выколе, м/с.

Кроме этого можно определить объемную и контактную работы разрушения и другие показатели.

Необходимое число измерений

п = *2*вар/*доп»

где kBtp — коэффициент вариации, %; kROn — допустимая ошибка, %; t —нормированное отклонение.

Величина t принимается в зависимости от заданной степени надеж-

Определение нагрузочных характеристик горных пород произво­ дится на образцах в виде блоков кубообразной или цилиндрической формы с двумя параллельными гранями.

Непараллельность граней не должна превышать 5—7°, размеры образца не менее 120x120x120 мм для кубообразной формы и для цилиндрической формы диаметром цилиндра не менее 75 мм и высо­ та не менее 150 мм.

Поверхность образца, в которую производится внедрение инден­ тора подвергается незначительной обработке (достаточно обработать алмазным диском).

Перед испытанием на обработанную поверхность образца, по кото­ рой будет ударять индентор, карандашом наносится сетка со сторо­ ной квадрата 0,5—1 см с тем, чтобы один выкол не контактировал с другим соседним выколом породы. Внедрение индентора производит­ ся по углам нанесенных квадратов.

На приборе ПДС-5, разработанном совместно с В.П. Архиповым, график сила—деформация записывается при ударе на экране электрон­ ного осциллографа, у которого трубка с послесвечением. Принципи­ альная схема нагружения отличается от предыдущей тем, что удар по породе наносится через промежуточный элемент, в котором вмонти­ рован пуансон (рис. 7.4). Блок-схема прибора показана на рис. 7.5.

Рис. 7.4. Схема динамического нагружения через промежуточный элемент:

1 — ударник; 2 — промежуточный элемент;

3 — пластины емкостного датчика; 4 — тен­ зодатчик; 5 —горная порода

ния 1—1,5 мм, для больших величин внедрения (до 10 мм) применя­ лись емкостные датчики, основанные на изменении площади взаимо­ действия пластин.

Этим прибором по описанной методике испытаны сотни разновид­ ностей горных пород, взятых из основных горнодобывающих бассей­ нов страны.

Для определения динамической твердости ударник 1 неоднократ­ но сбрасывается на промежуточный элемент с постоянно увеличива­ ющейся высоты. В промежуточном элементе встроен пуансон, кото­

рый внедряется в образец горной породы, при этом на экране осцил­ лографа записывается график сила—деформация.

Динамическая твердость определяется из графика путем деления нагрузки, полученной при первом выколе породы, на площадь штам­ па по формуле

рд= щлпт,

где Рд — динамическая твердость, Па; Р|Д — динамическая твердость для отдельного измерения, Па; N — число измерений (ударов); S — площадь штампа, м3.

Результаты испытаний горных пород по указанной методике по­ казывают, что показатель динамической твердости значительно выше твердости по штампу. Коэффициент вариации при определении дина­ мической твердости на приборе ПДС-5 не превышал 10—15 %.

Анализ полученных графиков (рис. 7.7) показал, что стабилиза­ ция силы для различных пород не одинакова. Чем выше прочность породы, тем большая сила требуется для первого выкола, тем выше критическая скорость соударения.

В целом нагрузочные характе­ ристики всех исследованных пород можно разделить на три типа (рис. 7.8).

Для первого типа кривых ха­ рактерен больший угол наклона и незначительная деформация при первом выколе. Эти кривые отно­ сятся к наиболее хрупким поро-

.дам, таким как песчаник, магнетит, гранит.

Для второго типа нагрузочных кривых характерен меньший угол наклона начала кривой к оси аб­ сцисс и более значительная дефор­ мация породы. К этим породам относятся алевролиты и некоторые марки углей (антрациты).

Для третьего типа нагрузочных

РкЮН

h

Рис. 7.8. Типы нагрузочных кривых, полученных на приборе ПДС-5:

О— наиболее хрупких пород; б —пород средней хрупкости; в плас* тичных пород

Рис. 7.9. Зависимость условной силы Fу от скорости удара v при различных мае* сах (г) ударника для песчаника:

2 -1 7 0 2 ; 2 -1 2 6 2 ; 3 -1 1 2 4 ; 4 -9 7 2

различных диаметрах штампа (от 1 до 5 мм), показывают, что его влияние на скорость соударения индентора с породой проявляется до 2 мм. При дальнейшем увеличении диаметра критическая скорость остается постоянной.

Известно, что с увеличением скорости соударения ударника с по­ родой увеличивается энергия удара (при неизменной массе ударни­ ка). Поэтому, чтобы установить влияние массы ударника на крити­ ческую скорость при работе ДП-8 были проведены замеры критиче­ ской скорости условной силы при первом выколе, определяющейся по величине сжатия пружины подвижным грузом. При этом изменя­ ли массу ударника и скорость соударения. Установлено, что масса ударника (в указанных пределах) существенного влияния на крити­ ческую скорость не оказывает (рис. 7.9). При больших изменениях массы должно соблюдаться условие, при котором отношение массы к площади штампа остается постоянным.

Исследованиями многих авторов установлено, что с увеличением прочности критическая скорость деформирования растет (рис. 7.10, приложение 5).

Корреляционная связь имеет вид

Для установления связи скорости перфораторного бурения с ди­ намической твердостью горных пород (табл. 7.1) проведены опытные

Таблица 7.1. Скорости чистого бурения пород при различной динамической твердости

*Петрографическое описание см. в приложении 7

работы на Соколовском и Сарбайском железорудных карьерах, кото­ рыми установлено, что между скоростью бурения «бур и динамиче­ ской твердостью Рд существует корреляционная связь (приложе­ ние 6) вида

Несмотря на то, что коэффициент корреляции сравнительно не высок, динамическая твердость может быть использована для реше­ ния практических задач.

8. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Существующие понятия ’’свойства массива горных пород” , ’ ’свойства пород массива” , ’’свойства пород в массиве” , ’’свойства пород, нахо­ дящихся в условиях естественного залегания, в натурных условиях” и ’’свойства пород ” ин сити” часто употребляют как равнозначные, что объясняется неопределенностью термина ’’массив” . Поэтому в дальнейшем, чтобы избежать неопределенности, под свойствами мас­

сива горных пород будем иметь в виду свойства крупных по размеру объемов пород, а массив пород будем рассматривать как участок среды, ограниченный от соседних участков естественными плоскостя­ ми или испытывающий особые (отличные от соседних) напряжения, пренебрегать которыми для решения конкретной задачи недопустимо.

Из наиболее распространенных методов изучения состояния мас­ сива (метод разгрузки, метод с использованием буровых скважин, оптико-поляризационный, электрометрический, метод гидравличе­ ских датчиков, ультразвуковой, сейсмический, сейсмоэлектрический), акустические методы позволяют получать сведения не из от­ дельных точек, а по всему массиву или его части. Распространение данных, полученных в точке, на весь массив в силу анизотропии по­ род и неоднородности физико-механических свойств приводит к боль­ шим погрешностям. Ультразвуковой метод мало применим из-за малых баз прозвучивания и сложности проведения работ, связанной с акустическим контактом датчиков с породой. Поэтому рассмотрим наиболее перспективные методы акустических исследований — сей­ смический (для ближней зоны) и сейсмоэлектрический (для дальней зоны).

8.1. СЕЙСМИЧЕСКИЙ МЕТОД

Суть сейсмического метода состоит в том, что через массив горных пород пропускается упругий импульс или серия калиброванных упругих колебаний. По скорости и затуханию упругих волн судят

онапряженности массива.

Взависимости от принятой схемы прозвучивания и поставленной задачи исследований для возбуждения сигнала может быть использо­ ван механический удар по породе или взрыв заряда ВВ.

Для углей и пород угольных формаций оптимальная частота сиг­ нала составляет порядка 1 кГц [32]. При этом, чем стабильнее (как по частоте, так и амплитуде) возбуждаемый сигнал, тем меньше бу­ дет ошибка в измерении времени распространения сигнала (при рабо­ те с цифровым прибором).

Формирование импульса происходит на контакте ударяющего элемента и породы [33]. От контактирующей поверхности и свойств пород зависят при прочих равных условиях форма и крутизна фрон­ та, а также частота посылаемого в породу импульса. При непосред­ ственном ударе каким-либо предметом по породе стабильности излу­ чаемого сигнала достигнуть очень трудно, так как на ее поверхности всегда имеются выступы или шероховатости, а при вторичном ударе попасть в одно и то же место практически невозможно. Поэтому не­ посредственный удар по породе мало пригоден.

Наиболее целес.ообразным является удар по породе через проме­ жуточный элемент (массу). Промежуточный элемент плотно прижи­ мается к породе и после нескольких ударов контакт между ним и породой становится гладким и плотным, что обеспечивает стабиль­ ность сигнала как по частоте, так и по другим параметрам. На процесс

формирования импульса при соударении реальных тел влияет множе­ ство факторов [34], в результате чего реальный импульс значительно отличается от теоретического, построенного по Сен-Венану с учетом основных допущений об идеально плоских торцах (обусловливаю­ щих мгновенное нарастание напряжения), перпендикулярности сме­ щения торцов при любом соотношении диаметров и отсутствии дис­ сипации.

В реальных условиях крутизна фронта нарастания волны напряже­ ния снижается за счет появления так называемого ’’концевого эффек­ та” — времени, необходимого на герцовскую деформацию не абсо­ лютно плоских торцов, что в ряде случаев может увеличить продол­ жительность импульса в два раза по сравнению с теоретическим пе­ риодом 2 1/а0, где / —длина ударника, а0 — скорость волны.

На форму импульса влияет фактор перераспределения энергии от более высокочастотных гармоник к низкочастотным, а разность ск о ­ ростей распространения последних приводит к расплыванию импуль­ са. Этому способствуют диссипативные потери при формировании и распространении импульса в самом материале, внешнее трение в мес­ тах контакта и т.д. В конечном итоге при распространении импульса в породе наблюдается уменьшение частоты и крутизны его фронта.

Чтобы определить длительность подаваемого в породу импульса, надо знать, в основном, скорость продольной волны, длину ударника

иформу торцов соударяющихся элементов. Крутизна фронта импуль­ са остается неизменной при постоянных параметрах удара и ударной системы в целом (длины и формы торцов элементов и т.д.). В трех­ элементной системе (ударник, промежуточный элемент, порода) к породе проходит ударный импульс, сформировавшийся ранее в об­ ласти удара ударника о промежуточный элемент. На контакте проме­ жуточного элемента с породой, т.е. в области, где площади сечения и упругие свойства материалов меняются, ударный импульс отражаясь

ипреломляясь получит новые параметры.

Однако в том случае, когда длина ударника больше длины проме­ жуточного элемента продолжительность сформировавшегося импуль­ са можно считать по формуле Сен-Венана (f = 2 / 0 /а0, где / 0 — длина меньшего стержня), учитывая при этом, что часть энергии волны при переходе ее из промежуточного элемента в породу будет потеряна, крутизна фронта волны изменится, а длительность импульса (частот­ ная характеристика) изменится незначительно.

По расчетам для заданной частоты 1 кГц с учетом податливости торцов длина ударника должна быть в пределах 1,5—2,5 м, что труд­ но осуществимо в конструкции ударного устройства.

Для выяснения уровня изменения частоты импульса с расстояни­ ем, а также влияния характера удара на частоту и стабильность им­ пульса, выполнены специальные опыты в лабораторных условиях. Были изготовлены два вида ударных устройств: ’’молоток” со встро­ енным пьезоэлементом и ’’пистолет” , в котором также встроен пьезо­ элемент. Сигналы обоими видами устройств возбуждали ударами непосредственно по массиву и по наковальне, вбитой в массив.