книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

лов, полученные методом повторных ударов, изменяются для по­ род от +700 до —43, а для минералов от +800 до —74.

При испытаниях минералов обнаружены проявления анизотро­ пии не только твердости, но и хрупко-пластических свойств. Анизо­ тропия твердости минералов наблюдается и при испытаниях методом ’’царапания” (склерометрические исследования). Исследованиями на различных гранях кристаллов, в плоскостях, по-разному ориентиро­ ванных относительно главных кристаллографических осей (опыты с кварцем, гипсом и др.), получены существенно разные значения хрупкости и пластичности.

Метод повторных ударов с измерениями упругого отскока исполь­ зован в шахтных условиях Донбасса Н.Г. Русаковым (Донецкий политехнический институт). Для испытаний в массиве использован пружинный молоток конструкции Центрального научно-исследова­ тельского института строительных конструкций (ЦНИИСК), разра­ ботанный по типу так называемых молотков Шмидта. Численные характеристики хрупкости или, наоборот, ударной вязкости пород и углей, можно получить посредством их динамического разрушения при дроблении. Энергетические характеристики такого процесса — удельная работа дробления* степень измельчения (вновь образован-

ная поверхность, гранулометрический состав, количество тонких фракций в раздробленном веществе) — связаны с хрупкостью пород и углей.

Существуют промышленные способы испытаний товарных проб углей, кокса, строительного и дорожного щебня, основанные на опре­ делениях их дробимости.

В горном и геолого-разведочном деле возникает необходимость проведения массовых испытаний проб небольшого объема. В связи с этим был разработан метод измерений измельчаемости, и, соответ­ ственно, удельной работы дробления небольших проб. В свое время они получили наименование микродиспергометрических. В частности, испытания измельчаемости углей и некоторых пород производились стальными шарами во вращающихся цилиндрических камерах не­ большого объема. Один из первых приборов такого типа (РД-4) состоял из шести заключенных в общий кожух стальных цилиндров, внутренний диаметр которых равнялся 82 мм, а длина 50 мм. Одно­ временно испытывались 6 проб углей. Объем каждой (после сокра­ щения по правилам опробования) составлял 20 см3. Исходная круп­ ность угля 5 -г 14 мм.

Оценка вновь образованной поверхности производилась посред­ ством определений содержания в продуктах разрушения объема фракций мельче 0,07 мм и мельче 2,5 мм или одной из них (мельче 0,07 м м ). Объем последней характеризовал приближенно степень из­ мельчения. Соотношения численных значений характеристик измель­ чаемости различных углей и пород зависят, разумеется, в большой степени от условия разрушения, прежде всего от уровня разрушаю­ щих напряжений и затраченной работы (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Кривые распределения продуктов измельчения в камерах при частоте вращения 4,2 с-1 (д), 8,4 с-1 (б) и 16,7 .с*1 (в) проб Донецких углей различных марок:

1 - А; 2 - Г; 3 - Т; 4 - ПС; i - частость распределения; d — размер частиц

Другая модель такого прибора была разработана в ИГД им. А.А. Скочинского и успешно применена для изучения хрупко­ пластических свойств преимущественно магматических пород различ­ ного минерального состава и строения. Параллельно произведены испытания методом толчения М.М. Протодьяконова младшего.

Необходимо иметь в виду, что все динамические методы измель­ чения, в том числе способ толчения, дают характеристики пород, су­ щественно отличающиеся от значений статической прочности, в том числе от величины R ^/IO (значения Дсж выражены в МПа), которая была рекомендована в свое время М.М. Протодьяконовым старшим в качестве коэффициента крепости.

На основании обобщения экспериментальных данных, полученных в ИГД им. А.А. Скочинского и других организациях, был разработан проект классификации пород минералого-петрографических типов по характеристикам их динамической прочности. Использованы для этой цели сведения, полученные способом толчения (с применением прибора ПОК, который вошел в дальнейшем в ГОСТ 21153.1—75). В указанной классификации [8] по динамическим прочностным ха­ рактеристикам горные породы разбиты на 5 групп и 14 подгрупп.

Таблица 2.3. Характеристики хрупко-пластических свойств пород в зависимости от прочности и коэффициента крепости

Для самых хрупких и слабых пород и углей динамические коэффи­ циенты крепости составляют доли единицы. Для крепких и вязких мартитов и джеспилитов Кривбасса их величина достигает 35—38.

Предлагаемую классификацию целесообразно дополнить новыми опытными данными, полученными за последние 10—15 лет.

Характеристики измельчаемости динамически действующими силами были использованы для получения сопоставимых, не завися­ щих от прочностных свойств, показателей хрупкости пород и углей. Предпосылкой к этому было предложение, что мерами хрупкости могут служить отношения удельной работы, затраченной на измельче­ ние ударно-действующими силами (или иной характеристики динами­ ческой прочности), к прочностным показателям, полученным при статическом нагружении. В качестве статической характеристики сопротивляемости разрушению принят предел прочности пород при одноосном сжатии ■/?<**, в качестве критерия динамической прочнос­ ти — предусмотренный ГОСТом 21153.1—75 коэффициент крепости /динЗначения характеристик хрупко-пластических свойств некото­ рых пород и углей, определяемых отношением /дан/Лок» приведены в качестве примера в табл. 2.3. Для разных пород они расходятся в широком диапазоне.

Положительной стороной оценки хрупкости пород и углей по принципу динамического разрушения (измельчения) является дос­ тупность критериев и методик. Характеристики /?р для преобла­ дающего числа пород и углей дают непосредственно испытания образ­ цов полуправильной формы, выполняемые методами ИГД им. А.А. Скочинского [9 ,1 0 ].

3. ВИД НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Залегая на различных глубинах от земной поверхности горные поро­ ды испытывают давление вышележащих толщ. В зонах тектонических движений земной коры к напряжениям, вызванным весом вышележа­ щих пород, прибавляются тектонические напряжения, приводящие

кувеличению горизонтальных напряжений, которые м огут превысить вертикальные. Проведение горных выработок в массиве приводит

кизменению его напряженного состояния. Вблизи горных выработок образуется зона повышенных напряжений. Разрушение пород в стен­ ках выработок происходит вследствие достижения действующих в массиве напряжений величины прочности пород в данных условиях напряженного состояния.

Так как вид и величины напряженного состояния — изменяются по мере удаления от горной выработки, весьма важно знать влияние этого изменения на свойства горных пород. Горные породы в 10—20

и более раз прочнее при одноосном сжатии, чем при растяжении. В условиях всестороннего сжатия* прочность может увеличиться в несколько раз.

Исследования свойств горных пород в условиях объемного сжа­ тия имеют столетнюю историю [3], однако за последние годы суще­ ственных изменений в технике и методике исследований не произо­ шло. Наиболее широкое распространение во всем мире получили приборы типа Кармана. Они представляют собой камеру вы сокого давления в которую помещается цилиндрический или призматиче­ ский образец. Последний деформируется и разрушается посредством дополнительных сил, передаваемых на образец через ш ток, входящий в камеру. Для предотвращения проникновения рабочей жидкости в поры и микротрещины образец изолируется резиновыми, металличе­ скими или другими оболочками.

При испытаниях в приборах Кармана создается определенный вид

где а, > а2 > а3.

Параметр ц0 меняется от +1 до —1. При ц0 = —1 промежуточное главное напряжение равно наименьшему, а при ц0 = +1 — наибольше­ му главному напряжению.

Бели сжимающие напряжения, как принято в механике горных пород, считать положительными, то при одноосном сжатии и при ис­ пытании в установках типа Кармана (по схеме Кармана) д а = —1. При одноосном растяжении, при растяжении в сочетании с боковы м сжатием и при всестороннем сжатии в установках типа Кармана (по схеме Бекера) ца = +1.

Понятие о виде напряженного состояния возникло в связи с не­ совершенством существующих теорий прочности. Наиболее широко используемой теорией прочности применительно к горным породам является теория Кулона—Мора. Однако, эта теория не учитывает промежуточного главного напряжения. Если бы наличие промежуточ­

ного главного напряжения не оказывало влияния на показатели свойств, было бы безразлично, при каком виде напряженного состоя­ ния изучать свойства горных пород. Однако, в настоящее время мож­ но считать доказанным, что это основное условие теории прочности Мора не соответствует опытным результатам.

Прочность и деформируемость горных пород при напряженном состоянии вида aj > о2 = а3 (да = —1) изучены весьма тщательно и широко описаны в трудах многих исследователей. Главные резуль­ таты исследований о зависимости прочности и деформируемости гор­ ных пород от величины минимальных напряжений следующие.

1. Прочность горных пород при одноосном сжатии изменяется от долей МПа до 400 МПа и более. Модуль упругости изменяется от 50 МПа до 200 000 МПа.

Огибающая предельных кругов напряжений Мора постепенно выполаживается с увеличением радиуса предельного круга напряжений Мора по сравнению с одноосным сжатием в 4—7, иногда и более раз,

взависимости от типа пород и их трещиноватости. Прочность трещи­ новатых пород увеличивается более интенсивно, чем монолитных. Сопротивление деформированию также увеличивается. Для креп­ ких монолитных пород наблюдается незначительное увеличение мо­ дуля упругости, а для пород высокопористых и весьма трещинова­ тых (например, коксовые угли) он увеличивается в несколько раз, причем статический модуль увеличивается более интенсивно, чем ди­ намический.

3.С увеличением минимальных напряжений горные породы ста­ новятся более пластичными.

При напряженном состоянии вида ох = а2 > аъ (ца = +1) свойства горных пород изучались в основном при растяжении. Все работы практически посвящены изучению показателей прочности. Первыми тщательно поставленными исследованиями на образцах карарского мрамора были опыты Бекера, которые показали, что прочность мра­ мора при ца = +1 увеличивалась на 10 % по сравнению с прочностью, определенной Карманом при ца = —1. Как показал Муррель, разница

впрочности уменьшалась с уменьшением гидростатического давле­

ния.

Большая работа о влиянии крайних значений вида напряженного состояния (ца = ±1) на показатели прочности глин выполнена Е.А. Воробьевым, который доказал, что для глин с пластическими связями показатели прочности не зависят от вида напряженного со­ стояния. Подобное обстоятельство было отмечено ранее А.Л. Крыжановским для илов Сиваша, С.С. Бабицкой — для глин нарушенной структуры (пласт). Для серых и бурых глин с упругими связями расхождение в значениях сцепления при ма = +1 и дст = —1 состав­ ляло от 0 до 122 %. Углы внутреннего трения, полученные при край­ них значениях да, различались более чем в 3 раза.

Сравнений показателей прочности скальных горных пород при значениях да = ±1 крайне недостаточно и результаты их также 27

неоднозначны. Так А.Д. Алексеев, В.И. Журавлев, Л.П. Коган, Г.С. Са­ зерленд, М.С. Меддери и Моги Кийо утверждают, что промежуточное главное напряжение увеличивает прочность пород на 26—30 % и при­ водит к уменьшению угла разрушения. Н.А. Ландборг и Б.Т. Брэди отмечают уменьшение прочности, а в работах Г.Н. Кузнецова, М.Н. Будько, С.А. Маррел, П.Г. Дигби и Д.В. Х оббс влияния а2 на прочностные характеристики горных пород, их эквивалентов и бето­ нов не установлено. Учитывая, что горные породы вблизи вы работок находятся большей частью в условиях вида oï > а2 > а3 — при любых значениях ца (от —1 до +1), а также принимая во внимание возм ож ­ ность поворота осей главных напряжений под воздействием нагрузок и тем самым изменение вида напряженного состояния в сравнении с начальным, в последние годы стали проводиться исследования по созданию новых приборов, позволяющих испытывать горные породы при любых значениях ца и величинах нормальных напряжений [3].

3.1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

На одной из установок для трехосного неравно компонентного сжатия (рис. 3.1) испытания образцов пород проводили в следующем порядке:

Рис.' 3.2. Режим нагружения об­ разцов в установке трехосного сжатия УТС-3

тшшттт

Рис. 3.1. Установка для трехосного неравнокомпонентного сжатия УТС-3:

1 — камера высокого давления; 2 — испытываемый образец; 3 — пластины; 4 — тензодатчики; 5 — клиновые матрицы со сферическими опорами 6 ; 7 — пазы; 8 — опора качения; g — насос высокого давления; 10 — манометр