книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

Рис. 2.21. Зависимости пределов прочности НВО песчаника Донбасса от ско­ рости деформирования при разных уровнях бокового давления а 2.

lg e , =1 с -1. Объемные деформации разрыхления имеют макси­ мумы при lg e , = 6 с '1. В диапазоне высоких скоростей при lg ё j = 1 —1 с -1 и при давлениях а 2 = 100 и 150 МПа получено уменьшение объема и уплотнение материала на 1 %. Уплотнение произошло за счет закрытия имеющихся в песчанике пор. Эф­ фективная пористость исходного НВО песчаника составляет 6— 7 %. Большая линейная деформация способствовала закры­ тию имеющихся пор. Объемная деформация уплотнения в этом интервале скоростей превзошла объемную деформацию разрых­ ления, в результате чего и получено уменьшение объема.

Пределы прочности ВО песчаника Донбасса в зависимости от скорости деформации и бокового давления изображены на рис. 2.23. Полученные на образцах ВО песчаника результаты по прочности практически полностью совпадают с результатами по НВО песчанику не только качественно, но и количественно. По­ следнее отмечалось и в главе 1 при анализе результатов по этим двум видам песчаников, хотя по петрографическим показателям

Рис. 2.22. Зависимости продольных (а) и объемных (б) деформаций НВО пес­ чаника Донбасса на пределе прочности от скорости деформации при разных уровнях бокового давления о 2.

131

Рис. 2.23. Зависимости пределов прочности ВО песчаника Донбасса от скоро­ сти деформирования при разных уровнях бокового давления о 2.

эти песчаники существенно отличаются друг от друга (см. прило­ жение к главе 2). Зависимости продольных (а) и объемных (б) де­ формаций ВО песчаника на пределе прочности изображены на рис. 2.24, а и б. Линейные деформации, по аналогии с зависимо­ стями для НВО песчаника,_имеют два максимума: один — при низ­ ких скоростях lg ё 2 = 7 - 5 с -1, другой — при высоких скоростях lg e , = 1 - 1 с -1.

Рис. 2.24. Зависимости продольных (а) и объемных (б) необратимых деформа­ ций ВО песчаника Донбасса на пределе прочности от скорости деформирова­ ния при разных уровнях бокового давления о 2.

Максимумы объемных деформаций расширения получены при низких скоростях деформирования lg 6 [ = 7 - 6 с '1. В диапазоне высоких скоростей при lg ё, = 1 - 1 с -1 получено, как и в случае НВО песчаника, уменьшение объема и уплотнение материала: при а 2 = 100 МПа на 1— 1.5 %, а при а 2 = 150 МПа — примерно на 2 %. Причина уплотнения та же, что и у НВО песчаника. Общая пористость у ВО песчаника составляет 10— 12 %, а эффективная

132

пористость — 6— 7 %. Более высокая (в два с лишним раза) сжи­ маемость ВО песчаника получилась за счет более высокой общей его пористости по сравнению с НВО песчаником. Таким образом, механические характеристики НВО и ВО песчаников не могут служить надежными критериями их выбросоили невыбросоопасности. Надежными критериями различия этих двух видов песчани­ ков являются петрографические показатели и характеристики их фильтрационных свойств. Последние различаются в 10 и более раз, при этом более высокая проницаемость наблюдается у ВО пес­ чаника, что подтверждается многочисленными исследованиями на разных регионах Донбасса. Об этом более подробно будет сказано

вглаве 3.

2.3.1.Исследования прочности и деформации каменных углей при разных скоростях

идавлениях

Исследования механических свойств каменных углей из ряда ка­ менноугольных бассейнов бывшего Советского Союза проводи­ лись в связи с проблемой горных ударов, которые постоянно воз­ никали в этих бассейнах. Прогнозирование и предотвращение этих грозных явлений выполнялись учеными Института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) с 1952 года, коща эти явления впервые стали возникать на территории СССР.

В предлагаемой работе рассматриваются результаты некоторых исследований механических свойств углей при вариации скорости деформирования и величин боковых давлений, выполненных в на­ шей лаборатории в связи с этой проблемой.

На рис. 2.25 представлены экспериментальные зависимости пределов прочности бурого угля из Шурабского угольного бассей-

Рис. 2.25. Зависимости пределов прочности бурого угля из Шурабского уголь­ ного бассейна от скорости деформирования при разных уровнях бокового дав­ ления о 2.

133

на в Таджикистане от скорости деформирования и величины бо­ кового давления. Экспериментальные точки, учитывая большой разброс частных значений, характерных для углей вообще, удов­ летворительно аппроксимируются лучами, выходящими из одного полюса с координатой lg ё, = 15 с -1.

Зависимость линейных (а) и объемных (б) деформаций бурого угля из Шураба на пределе прочности в зависимости от скорости деформации и величины бокового давления представлены на рис. 2.26, а и б. Линейные деформации имеют явно выраженный

Рис. 2.26. Зависимости продольных (а) и объемных (б) необратимых деформа­ ций на пределе прочности бурого угля из Шурабского бассейна от скорости де­ формации при разных уровнях бокового давления а 2.

максимум в диапазоне скоростей деформаций lg ё , = Т - 1 с -1. Максимумы объемных деформаций расширения установлены в интервале скоростей l g e , = 4 - 2 c ' 1. В диапазоне скоростей lg ё, = 1 - 1 0 с -1 объемные деформации минимальны, несмотря на большие линейные деформации в этом диапазоне скоростей. Дан­ ное обстоятельство объясняется процессом закрытия существую­ щих в буром угле пор, пористость которого в исходном состоянии составляет около 30 %. Таким образом, процесс уплотнения в этом диапазоне скоростей и давлений о 2 = 2.5 и 5.0 МПа превалирует над процессом разрыхления, который здесь, безусловно, также имеет место.

Исследовались образцы антрацитового угля из Донецкого уголь­ ного бассейна. На рис. 2.27 показаны зависимости пределов проч­ ности антрацита от скорости деформирования и величины боково­ го давления. Прочность антрацита почти на порядок выше прочно­ сти бурого угля. Разброс частных значений прочности антрацита намного выше разброса частных значений прочности у бурого уг­ ля. С ростом скорости деформирования и уровня бокового давле­ ния во всех случаях наблюдается увеличение прочности, однако аппроксимация экспериментальных точек лучами, исходящими из

134

Рис. 2.27. Зависимости пределов прочности антрацитового у т я Донбасса от скорости деформирования при разных уровнях бокового давления с 2.

одного полюса, имеет низкую достоверность и носит условный ха­ рактер.

На рис. 2.28, а представлены зависимости линейных деформа­ ций на пределе прочности антрацита при разных скоростях де­ формирования и уровнях бокового давления. Имеется выражен­ ный максимум линейных деформаций в диапазоне скоростей lg 8, = 4 - 3 с -1. Абсолютные значения деформаций антрацитового

Рис. 2.28. Зависимости продольных (а) и объемных (б) деформаций антрацито­ вого угля Донбасса на пределе прочности от скорости деформирования при раз­ ных уровнях бокового давления о 2.

135

угля в 5— 10 раз меньше деформаций бурого угля из Шураба. Ант­ рацит отличается высокой хрупкостью и прочностью.

Объемные деформации преимущественно имеют знак расшире­ ния (рис. 2.28, б), пористость антрацита составляет 1.5 %. Наиболь­ шие величины объемных деформаций получены при одноосном сжа­ тии и при сжатии под боковыми давлением 100 МПа при малых ско­ ростях lg = 6 - 5 с -1. При высоких скоростях lg ё, =10 с -1 сильное разрыхление получено при одноосном сжатии и при сжатии под боковым давлением 10 МПа.

Результаты исследований прочности на одноосное сжатие при разных скоростях деформирования образцов каменного угля из Кизеловского угольного бассейна изображены на рис. 2.29. В Кизеловском угольном бассейне на Урале возникли первые горные удары большой силы в бывшем Советском Союзе.

Рис. 2.29. Прочность на одноосное сжатие при разных скоростях деформирова­ ния образцов каменного угля из Кизеловского угольного бассейна.

Кизеловский каменный уголь обладаетдостаточно высокой проч­ ностью и отличается повышенной хрупкостью. С возрастанием ско­ рости деформирования во всех случаях наблюдается снижение проч­ ности. Максимальное значение прочности (15 МПа) получено при низкой скорости деформации (lg ё, = 8 с -1). Минимальная проч­ ность (3 МПа) получена при высокой скорости (lg ё 1 = 0.5 с _1). По­ лученный результат по прочности находится в противоречии с кине­ тическими представлениями о процессе разрушения твердых тел. Экспериментальная кривая не может бытьнепосредственно описана уравнением кинетического вида (2.1). Проведенные из одного цент­ ра лучи носят чисто условный характер.

На рис. 2.30 даны зависимости линейных (а) и объемных (б) де­ формаций на пределе прочности образцов каменного угля из Кизе­ ловского бассейна от скорости деформирования. Линейные дефор­ мации имеют два максимума: один при низких скоростях дефор­ мирования, другой — при высоких. Объемные деформации имеют один максимум при низких скоростях.

136

Рис.2.30. Зависимость продольных (а) и объемных (6) необратимых деформа­ ций образцов каменного угля из Кизеловского бассейна на пределе прочности от скорости деформирования при одноосном сжатии.

2.3.2. Исследования прочности и деформации солевых горных пород при разных скоростях деформирования

Следующая серия экспериментов была проведена на образцах ка­ менной соли (галита) [75] из Старобинского месторождения в Бело­ руссии и из месторождения в Таджикистане. Кроме того, были ис­ следованы образцы сильвинита из Старобинского месторождения в Белоруссии. Исследования проводились всвязи с горными ударами и выбросами, которые возникали на этих месторождениях.

На рис. 2.31 даны результаты, полученные на образцах камен­ ной соли из Старобинского месторождения в условиях одноосного сжатия при разных скоростях деформирования. Опыты проводи­ лись на образцах призматической формы с размерами 150 х 150 х х 300 мм. Каждая точка получена в результате усреднения трех-че­ тырех независимых опытов на образцах-близнецах. Точками отме-

Рис. 2.31. Зависимости пределов прочности (сплошная линия) и пределов упру­ гости (пунктирная линия) образцов каменной соли Старобинского месторож­ дения от скорости деформирования при одноосном сжатии.

137

чены значения пределов прочности, перечеркнутыми точками —

рост прочности с возрастанием скорости деформирования, резуль­ таты находятся в соответствии с кинетической концепцией. В диа­ пазоне высоких скоростей от lg ё, - 6 с -1 до lg = 2 с -1 проч­ ность каменной соли падает, предел упругости при этом снижается значительно меньше.

Линейные и объемные деформации каменной соли на преде­ ле прочности показаны на рис. 2.32, а и б соответственно. Линей­ ные деформации снижаются с ростом скорости. Максимальные значения деформаций зафиксированы в диапазоне низких скоро­ стей lg ё, = 8 - 6 с -1. Объемные деформации расширения, наобо­ рот, оказались наибольшими в диапазоне высоких скоростей. Как видно из графиков, полученные зависимости для деформаций но­ сят неустойчивый характер.

ДОЮ' 3

Рис. 2.32. Зависимости продольных (а) и объемных (б) необратимых деформа­ ций образцов каменной соли Старобинского месторождения от скорости де­ формирования при одноосном сжатии.

Опыты, аналогичные только что описанным, были проведены в условиях одноосного сжатия на образцах галита из Таджикистана. Образцы имели форму керна диаметром 90 мм и высотой 200 мм.

Результаты по прочности и упругости галита при разных скоро­ стях деформации представлены на рис. 2.33. Установлено полное сходство, как качественное, так и количественное, с результатами, полученными на каменной соли Старобинского месторождения. Несколько отличаются деформационные зависимости от скорости, представленные на рис. 2.34, а и б. Здесь более четко просматри­ ваются максимумы пластичности и разрыхление в диапазоне ма­ лых скоростей деформации.

Следующая серия опытов на одноосное сжатие проводилась с образцами сильвинита Старобинского месторождения. Опыты

138

Рис. 2.33. Зависимости пределов прочности (сплошная линия) и пределов упру­ гости (пунктирная линия) образцов каменной соли из Таджикистана от скоро­ сти деформирования при одноосном сжатии.

проводились как на образцах призматической формы размером 150 х 150 х 300 мм, так и на образцах в виде кернов диаметром 90 мм и высотой 200 мм. Диапазон скоростей, в котором произво­ дились исследования, достигал 12 десятичных порядков (от £, = 10~10 с -1 до ё, = 10+2 с -1). Продолжительность опытов в диапа­ зоне низких скоростей, совпадающих со скоростями ползучести, достигала пяти и более лет. Сильвинит состоял на 68— 70 % из сильвина и на 30— 32 % из галита.

Результаты по пределам прочности и пределам упругости силь­ винита при одноосном сжатии изображены на рис. 2.35. Каждая точка на графике есть результат усреднения 4— 6 опытов, получен­ ных на образцах-близнецах.

Черными кружками на графиках отмечены экспериментальные точки, соответствующие пределам прочности, а перечеркнутыми кружками — экспериментальные точки, соответствующие преде­ лам упругости, полученные на образцах в форме кернов в условиях

Рис. 2.34. Зависимости продольных (о) и объемных (б) необратимых деформа­ ций образцов каменной соли из Таджикистана на пределе прочности от скоро­ сти деформирования при одноосном сжатии.

139

Рис. 2.3S. Пределы прочности и пределы упругости образцов сильвинита Старобинского (1) и Верхнекамского (2) (Урал) месторождений в зависимости от скорости деформирования.

заданной скорости деформации. Зачерненными треугольниками изображены точки, полученные на образцах сильвинита призмати­ ческой формы. Старобинский и верхнекамский сильвиниты очень близки по составу и структуре, что и объясняет очень близкое сов­ падение их показателей по прочности.

Экспериментальные точки на рис. 2.3S мы разделили на две группы: первая группа точек, полученных в условиях заданной скорости деформации, аппроксимирована_лучами 2, имеющими общую точку полюса с координатой lg = 17 с '1, и вторая группа точек, полученных в условиях ползучести, аппроксимирована лу­ чами 1 с координатой общего полюса lg ё, =12 с -1. Экспери­ ментальные точки, полученные на сильвините Верхнекамского месторождения, несколько отошли от точек, полученных на силь­ вините Старобинского месторождения.

В диапазоне скоростей, ще заданные скорости деформации ста­ новятся одинаковыми со скоростями ползучести, полученные ре­ зультаты неразличимы, ибо в области ползучести постоянство на­ грузки на пружинных прессах регулярно корректировалось, что, по смыслу, равноценно эксперименту с заданной очень малой скоро­ стью деформации, изменяющейся малыми ступенями.

Наличие двух систем лучей, выходящих из разных полюсов, дает основание высказать предположение о том, что процесс деформа­ ции сильвинита в зависимости от скорости деформирования в диапазоне малых скоростей протекает главным образом по зернам сильвинита, так как для этого здесь требуются более низкие напря­ жения. При скоростях от ё 1 = 10-6 с 4 и до ё, = 10+2 с '1 деформа­ ция переключается на зерна галита, так как в этом диапазоне ско-

140