книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

О результатах определения предела прочности на сжатие акустико­ механическим методом можно судить по рис. 10.2.

К расчетным относится метод, предложенный М.М. Протодьяконовым и С.Е. Чирковым. В его основу положен масштабный фактор, принцип уменьшения вариаций свойств в образцах больших размеров и огибающая предельных кругов напряжений Мора [8].

Порядок определения прочности следующий:

1.В лабораторных условиях методом раскалывания и сжатия определяется предел прочности на сжатие двух групп образцов из одного блока, размеры которых по возможности существенно раз­ личны.

2.Определяются среднеарифметические значения прочности, среднеквадратичные ошибки и вариации значений прочности.

3.По средним расчетным данным строятся огибающие кругов

для расчетов кривой масштабного фактора и прочности блока в мас­ сиве.

Метод динамического внедрения штампа* основан на использова­ нии формулы (10.6) при замене р, спр и р данными по жесткости и вязкости, определяемыми по нагрузочной кривой, связывающей силу и скорость деформирования породы при ударе индентора о по­ роду с различной скоростью.

тель вязкости, Па*с; укр — критическая скорость деформирования (соударения штампа и породы), м/с. k x — 0,0165 — коэффициент, учитывающий напряженное состояние под штампом и масштабный фактор; R ÇK — предел прочности на одноосное сжатие.

Показатели жесткости и пластичности определяются из графика P = f ( v ), полученного путем динамического внедрения штампа в массиве при разных скоростях соударения.

Составляющие формулы (10.7) определяют с помощью пружинно­ го прибора ДП-7 (рис. 10.3).

* Разработан Б.С. Ватолиным и В.П. Архиповым.

1Z

13 - -

Прибор ДП-7 по принципу работы аналогичен прибору ДП-8 и состоит из рамы 1, на которой с помощью больших плоских пру­ жин 2 крепится ударник 3 с индентором 4 и измерителем глубины внедрения 5.

Ударник с индентором передвигается внутри рамы без трения и центрируется большими плоскими пружинами. Взвод пружин для производства удара по горной породе осуществляется рукояткой 6, а фиксация пружин в натянутом состоянии осуществляется винтом 7, расположенным на движке 8, который может перемещаться и фикси­ роваться на поворотной линейке с интервалом 5 мм.

Отсчет величины внедрения индентора в горную породу осуще­ ствляется индикатором часового типа 9, соединенным через флажок 10 с толкателем 11. В связи с тем, что флажок является неравноплеч­ ным (отношение плеч 2/1), показания, снимаемые с индентора часо­ вого типа, следует удваивать.

В средней части ударника находятся малые плоские пружины 12, причем одни их концы прикреплены к ударнику, а другие имеют до­ полнительный груз 13 и находятся в свободном состоянии. Через отверстия малых плоских пружин проходят два стержня 14 и 15, один из которых закреплен за подвижную большую пружину, а дру­ гой — за неподвижную большую пружину. Оба стержня имеют ука­ затели перемещений 16 и 17.

Принцип действия прибора следующий.

Вручную производятся натяжение пружины 2 на определенную величину, затем прибор прижимается к поверхности забоя. Все ука­ затели перемещений устанавливаются в нулевое положение, после чего производится освобождение пружины со взвода путем нажатия на спусковой крючок. Груз с индентором под действием пружины перемещается в сторону забоя и как только индентор коснется плоскости забоя ударник 3 затормозится, а находящийся в нем под­ вижней груз 13 будет перемещаться по инерции в сторону забоя вместе с указателями перемещений 16 и 17, сжимая малую пружи­ ну 14, отсчет перемещения груза 13 ведется по делениям, нанесенным на стержнях 14 и 15. При этом указатель перемещений 16 зафикси­ рует перемещение груза А, без учета отскока индентора, а указатель перемещений 17 — с учетом отскока Л2.

Внедрение индентора в породу фиксируется индикатором часово­ го типа 2 через систему толкателя 3 и флажка 10.

Таким образом на приборе фиксируется три показателя: величи­ ны перемещений подвижного груза с учетом и без учета отскока и глубина внедрения штампа.

В момент разрушения горной породы под индентором отскок груза 13 практически отсутствует и показания перемещений подвиж­ ного груза с учетом отскока и без учета отскока становятся близки­ ми, а в некоторых случаях даже равными.

Для определения энергии удара индентора о забой производится тарирование пружины при различных углах наклона прибора к гори­ зонту.

ром отскок индентора минимальный и показания перемещения гру­ за по регистраторам 16 и 17 равнозначны. При каждом натяжении пружины производится несколько ударов в зависимости от требуе­ мой точности определения и разброса получаемых данных.

По графику (см. рис. 10.4) находят все три значения для расчета предела прочности горной породы на одноосное сжатие.

Для определения G учитывают упругую часть кривой сила — ск о ­ рость (отрезок ОА) и определяют ее угол наклона к оси абсцисс. Для нахождения т? принимают часть кривой, где сказывается влияние пластических остаточных деформаций (участок кривой АВ), Эта часть характерна тем, что деформации растут не пропорционально напряжениям, а точка В соответствует А, = h2\Точка А — характери­ зует начало пластических деформаций, а точка В выкол горной поро­ ды под штампом, при этом v = i»Kp. Соединив точки А и В получают прямую, угол наклона которой определяет значение т?.

Сейсмический метод определения скорости распространения упру­ гих волн основан на многоканальной записи сейсмограмм. Для этого в исследуемом массиве пробуривают серию скважин, расположенных на определенном расстоянии между собой; в одной из скважин раз­ мещается источник возбуждения сигнала (заряд ВВ или ударное ме­ ханическое устройство), а в остальные приемники колебаний. Возбуж­ даемые упругие колебания фиксируются сейсмоприемниками, разме­ щенными в скважинах. Сигнал передается по проводам на сейсмостанцию, где он записывается на бумагу или магнитную ленту. Затем производится расшифровка сейсмограмм и строятся годографы, по которым определяется скорость волн.

Достоинством этого метода яв­ ляется возможность выделения из сейсмограмм различных типов волн, определения скорости их распространения и затухания.

Этот метод применяется при геофизических исследованиях больших массивов пород.

В качестве регистрирующей ап­ паратуры кроме сейсмостанций для сравнительно небольших баз прозвучивания применяются различ­ ные счетчики времени, которые фиксируют время первого вступле­ ния продольной волны на элект­ ронном цифровом табло, или с помощью стрелочных приборов.

Ультразвуковой метод приме­ няется в основном для прозвучи-

вания образцов горных пород, что объясняется большим затуханием ультразвуковых колебаний (1—2 м).

Недостатками ультразвукового метода является необходимость иметь хороший акустический контакт между датчиками и массивом, а также малая база прозвучивания.

Акустическая жесткость, динамические модуль упругости и коэф­ фициент Пуассона могут определяться в массиве по скорости распро­ странения упругих волн по известным классическим формулам [8].

Из множества методов определения трещиноватости массива гор­ ных пород заслуживает внимания акустический, который еще не на­ шел достаточного отражения в публикациях.

Акустический показатель трещиноватости

продольной волны в образце.

Скорость продольной волны определяется в лабораторных усло­ виях на образце пород в виде цилиндра или куба в соответствии с ГОСТом.

Скорость продольной волны в массиве определяется с учетом ани­ зотропии пород в массиве и в образце, т.е. направление прозвучива­ ния в массиве и в образце должно совпадать.

Акустический показатель трещиноватости определяется достаточ­ но просто и был использован для определения параметров буро­ взрывных работ (расход ВВ, коэффициента сближения скважин и выхода негабарита) в зависимости от свойств пород.

По результатам экспериментальных работ, проведенных совмест­ но с И. Чогошвили, построен график (рис. 10.5), на котором по оси

ординат отложены удельная энергия ВВ q, коэффициент сближения скважин Лсбл, выход негабарита Вн, а по оси абсцисс акустический показатель трещиноватости А. Из графика видно, что между парамет­ рами EBP и акустическим показателем трещиноватости существует взаимосвязь.

Ц . ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬКАЗАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, ПРОЧНОСТИ, УПРУГИХ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВА

11.1.РАЗРУШЕНИЕ ПОРОД И ОХРАНА ВЫРАБОТОК

Воснове своей горное производство сводится к разрушению горных пород или сохранению их прочности (устойчивости или несущей спо­ собности) в целях охраны горных выработок, в которых периодиче­ ски или непрерывно находятся люди.

При разработке и расчете процессов разрушения преимуществен­ но прибегают к оценке разрушаемой среды интегральными — техно­ логическими показателями, близко отражающими как свойства, так

исостояние углей и пород в массиве в любом данном месте (сопро­ тивляемость резанию, буримость, взрываемость, дробимость и т.п.).

Встрогом аналитическом расчете процессов разрушения пород

вмассиве пришлось бы учесть не только их прочность и пластичность

вусловиях сложного напряженного и деформированного состояний, но и ряд таких существенных факторов, как газо- и влагонасьпценность, частость и скорость нагружения (от реологической до взрыв­

показателей по простиранию и падению залежи и ряд других, трудно учитываемых факторов.

При резании, бурении, взрывании, дроблении и других процессах разрушения происходит значительное изменение естественного на­ пряженного состояния пород в результате воздействия на них инстру­ ментами машин или взрывчатыми веществами, высоконапорными струями воды, электромагнитными полями. Учесть все факторы, характеризующие свойства и состояние среды до и после воздей­ ствия, в подавляющем большинстве случаев не представляется воз­ можным, и поэтому следует считать оправданными стандартизацию или нормализацию интегральных показателей среды, вводимых в

расчеты процессов разрушения.

Иное положение имеет место при охране горных выработок. В подавляющем большинстве случаев наблюдается количественное изменение свойств и,состояния пород массива в зоне ведения горных работ или ближней зоне обнажения долгостоящих основных и вспо­ могательных выработок. Качественное изменение этих особенностей среды наблюдается редко и, кроме того, принципиальным требовани-

ем охраны горных выработок от разрушения является недопущение возникновения предельного состояния пород и углей в массиве. Это достигается выбором способов охраны очистных и подготовительных выработок, характеристик крепей, созданием искусственных цели­ ков, закладкой выработанного пространства, анкерованием или укреплением пород всевозможными связующими и некоторыми ины­ ми способами разгрузки массива от напряженного или деформиро­ ванного состояния или упрочнением пород и углей в целях их лучшей сопротивляемости давлению вышележащих пород, газовому давле­ нию и имеющему место в некоторых случаях дополнительному на­ пряжению под влиянием тектонических нарушений.

В таких случаях оказываются целесообразными эксперименталь­ но-аналитические способы расчета параметров охраны горных выра­ боток с использованием лабораторных методов, моделирующих на­ турные условия поведения пород в тех или иных условиях, а также натурные измерения.

Любые способы расчета охраны горных выработок всегда связаны с необходимостью знать свойства горных пород при тех или иных видах и режимах нагружения. Такие расчеты обычно сводятся к расчету предельного состояния и установлению необходимого запаса, гарантирующего безопасность ведения горных работ в тех или иных условиях.

Под предельным состоянием для крепких и хрупких горных по­ род обычно понимается предел прочности, для пластичных — предел текучести, а для подверженных длительным нагрузкам —длительная прочность отрыва или сдвига.

В расчетах технологии горного производства важно знать при ка­ ком виде предельного состояния произойдет разрушение, так как горные породы всегда анизотропны, а характер их разрушения может быть как следствием отрыва, так и сдвига.

По Г.В. Ужику свойства материала при любом виде напряженного состояния характеризуются безразмерным отношением временного сопротивления сдвигу R T к сопротивлению отрыву R0, а состояние материала характеризуется также безразмерным отношением макси­ мального напряжения сдвига ттах к максимальному напряжению отрыва ах [40].

Если при данном виде напряженного состояния безразмерная характеристика свойств больше характеристики состояния мате­ риала, R T/Ra > ттах/а1, отрыв неизбежен.

Когда R T/R0 < т т / ° 1 * произойдет сдвиг.

Итак, при охране горных выработок предельное состояние масси­ ва является тем крайним состоянием, после которого наступает разрушение пород или углей под влиянием веса вышележащих пород, газового давления и тектонических напряжений, но без приложения извне дополнительных увеличивающих напряжение нагрузок. Разру­ шение при этом может протекать по разному: в виде образования от­ дельных трещин, магистральных трещин отжима, высыпания угля из зоны разрушения, ’’стреляния” с поверхности забоя, горного удара

деформация элемента

С учетом принятых допущений

Таким образом, в отсутствии тектонических напряжений в глуби­ не массива

Уравнение (11.2) при отсутствии тектонических напряжений вы ­ ражает напряжение бокового распора (при пологом залегании), выра­ женное в долях от горного давления (уН = QJ ).

В отсутствии анизотропии продольной и поперечной упругости, когда Е х = Е2 (что в слоистых и трещиноватых углях маловероятно)

Еще менее вероятно, что д 13 = д23. Но если было бы так, то

т.е. коэффициенту бокового распора по А.Н. Диннику.

В зоне возникновения горного удара, у обнаженной поверхности, а3 = 0, а деформация в направлении обнажения

Памятуя, что в направлении оси 2 деформации ’’запрещены” , в рас-

m сматриваемом случае -г— /и12 = -г-*. Тогда

Однако деформация еав может быть и меньше критической, тогда разрушение в результате отрыва не возникает. Обнажение пласта угля будет устойчивым. Горный удар, согласно принятой упрощенной схе­ ме, может начаться только при условии возникновения деформации растяжения в сторону обнажения, превышающей критическую