Определение параметров паспорта прочности трещиноватых горных пород с учетом контактных свойств трещин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.Н. Тавостин, A.C. Вознесенский, Я.О. Куткин, 2013

УДК 620.10: 539.3/.8: 622.83

М.Н. Тавостин, А.С. Вознесенский, Я.О. Куткин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАСПОРТА ПРОЧНОСТИ ТРЕЩИНОВАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С УЧЕТОМ КОНТАКТНЫХ СВОЙСТВ ТРЕЩИН

Рассмотрена методика и результаты испытаний образцов песчаника при сдвиге по естественным и искусственным поверхностям ослабления. Приведены параметры паспортов прочности. Для повышения точности предложено одновременно регистрировать акустическую эмиссию.

Ключевые слова: горные породы, образцы, паспорт прочности, поверхности ослабления.

Введение

В настоящее время исследование механических свойств горных пород на образцах является одним из основных при получении исходных данных для расчета и проектирования карьеров, подземных рудников и шахт. В расчетах учитываются такие свойства пород, как модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел прочности при одноосном сжатии. Кроме того, для расчетов устойчивости массива пород вокруг выработок используют паспорт прочности, выражаемый зависимостью предельных сдвиговых напряжений от величины нормальных. Такая зависимость включает в себя в качестве параметров сцепление С и угол внутреннего трения р. Эти параметры определяются из испытаний образцов горных пород на прямой сдвиг по трещинам или поверхностям ослабления, определяющим устойчивость массива пород. При этом прочность ненарушенных горных пород может быть очень высокой.

В данной работе рассмотрены результаты испытаний на прямой сдвиг образцов песчаника одного из месторождений Сибири. Полученные вы-

воды и методики могут быть использованы как при проектировании горных предприятий, так и при интерпретации результатов геофизических и геомеханических измерений в массиве пород на реальном объекте.

Испытания на прямой сдвиг

Методика испытаний образцов скальных пород на сдвиг по поверхностям ослабления схожа с испытаниями грунтов, описанными в отечественных [1, 2] и зарубежных [3] стандартах.

Сразу же следует отметить, что при испытаниях образцов скальных горных пород, обладающих высокой прочностью, их не требуется разрушать по следующей причине. При одном виде испытаний (Direct Shear Test, DST) сдвиг производится по поверхности естественного ослабления или по трещине, а при другом (Direct Shear Sawcut, DSS) - по поверхности, полученной распиловкой образца алмазной пилой в направлении, перпендикулярном его оси.

Образец состоит из двух частей, разделенных поверхностью ослабления. Матрица для сдвиговых испытаний состоит из двух отдельных половин, которые можно передвигать друг

Рис. 1. Схема проведения испытаний на сдвиг в установке при начальном (а) и конечном (б) положениях нижней матрицы

относительно друга, сдвигая нижнюю часть образца. При испытании образца скальных горных пород, разделенного трещиной или поверхностью ослабления, каждая его часть закрепляется в своей половине матрицы. При испытании помимо сдвига одной части матрицы относительно другой имеется возможность оказывать нормальное давление Р, действующее перпендикулярно направлению сдвига.

Принцип действия испытательной установки представлен на рис. 1.

С помощью измерительных приборов в ходе испытаний регистрируются вертикальное у и горизонтальное х перемещения верхней и нижней час-

теи матрицы друг относительно друга, а также вертикальное P и горизонтальное F усилия. Обе величины через площадь контакта S(x) пересчитываются в величины нормального и сдвигового напряжении. Установка должна обеспечивать приложение горизонтального усилия F на уровне плоскости среза в направлении вытягивания.

Устройство, задающее в вертикальном направлении нормальное усилие P, представляет собоИ механическую подвеску, нагруженную гирями напрямую или через систему рычагов. Эта подвеска создает нормальную нагрузку по центру верхнеи части матрицы сдвига с помощью шарикоподшипника в сферическом гнезде.

В ходе испытании верхняя матрица стыкуется с нижнеи матрицеи, верхняя матрица закрепляется на шарнире с возможностью вертикального перемещения. В процессе испытании сверху прикладывается прижимная нагрузка P, далее задается перемещение нижнеи матрицы с постояннои скоростью в диапазоне от 0,05 до 0,1 мм/с. В процессе испытания кроме усилия сдвига регистрируется величины горизонтального перемещения нижнеи половины матрицы и вертикального перемещения верхнеи половины. При испытании следует учитывать неровности и шероховатости поверхностеи, которые взаимодеист-вуют друг с другом при сдвиге, а именно, учитывать их взаимныи наклон. Поправки, учитывающие этот взаимныи наклон, известны как поправки Хенчера [4].

Рис. 2. Графики зависимостей нескорректированных (1) и скорректированных (2) сдвиговых напряжений т от горизонтального смешения х

0,4

0.3

0,2

0,1

А1013 ПЯТ

о

1 V

3

ПН-2

о

К)

X, мм

Рис. 3. Графики зависимостей вертикальных смешений от горизонтальных х при нормальных напряжениях 61 кПа (1), 166 кПа (2), 286 кПа (3)

На рис. 2 для примера представлена зависимость нескорректированных (1) и скорректированных (2) сдвиговых напряжений от горизонтального смещения х для цилиндрического образца А1013, имеющего сечение в форме эллипса с осями 61 и 70 мм.

Каждая кривая состоит из двух участков. Первый участок (I) связан с

увеличением сдвиговых напряжений при небольшом сдвижении частей образца друг относительно друга. Этот участок кривой имеет достаточно большой наклон. Второй участок (II) связан со срывом зацепляющихся друг за друга выступов на контактах поверхностей верхней и нижней частей образца, превышением трения покоя и последующим движением. Испытания проводятся в несколько ступеней при увеличивающихся значениях нормального напряжения. Для получения максимально достоверных данных испытания на ступенях от первой до предпоследней проводятся от начала до срыва и затем прекращаются, чтобы нанести минимальные повреждения контактирующим поверхностям. Испытания на последней ступени ведутся от начала до величины горизонтального перемещения нижней матрицы вплоть до 8-12 мм.

Испытания проводились в три ступени. Вначале задавалось меньшее значение нормального напряжения (61 кПа на рис. 2), затем следующее по возрастанию напряжение (166 кПа на рис. 2) и максимальное, равное 286 кПа.

Одновременно регистрировались величины вертикальных смещений, которые затем использовались для расчета углов дилатансии и поправок Хенчера. Графики таких зависимостей представлены на рис. 3.

15

А1013 DST

200

л С

Ьй

100

0

зк Ф Л-AF

2К Vf \ fr 4

1К \ л Ï «Е—2Н

О

100

200

300

400

° , кПа

Рис. 4. Нескорректированные (Н) н скорректированные (К) графики зависимостей величины сдвиговых напряжений т от нормальных & при нормальных напряжениях 61 кПа (1), 166 кПа (2), 286 кПа (3)

А1013 DST

300

200

100

0

т(<т) = С + tg(<p) ■ с= 15,6кПа tfl(<p) = 0,55 • ф= 28,86°

О

100

300

200 о , кПа

Рис. 5. Паспорт прочности образца А1013 при сдвиге по естественной поверхности ослабления

Наибольшая крутизна кривой наблюдается на первой ступени (1), а наименьшая - на третьей (3). Это связано с тем, что при испытаниях на каждой ступени стираются выступы, которые на последующей ступени проявляются в меньшей степени.

Эти первичные зависимости в программе обработки, написанной в среде Mathcad, затем были пересчитаны в зависимости сдвиговых напряжений от величины нормальных, графики которых представлены на рис. 4.

Из этих графиков отчетливо видно увеличение нормального напряжения при сдвиге нижней матрицы относительно верхней, когда происходит площади поверхности соприкосновения двух частей образца. По этим графикам были определены три значения нормальных и сдвиговых напряжений, соответствующих моменту срыва. Эти значения в виде точек нанесены на плоскости ст-т в виде диаграммы, представленной на рис. 5. По этим значениям методом наименьших квадратов найдены коэффициенты C и линейной зависимости T(ff) = С + ; представляющей собой паспорт прочности Мора-Кулона.

Всего было испытано 26 образцов по видам испытаний DST и 8 - DSS, что позволило определить средние значения параметров паспортов прочности и сравнить их между собой.

Результаты сравнения приведены в табл. 1, где указаны средние значения сцепления C и угла внутреннего трения

для видов испытаний DST и DSS. Можно заметить, что значения параметров для DST больше, что связано с тем, что поверхность, которая

400

Сравнение параметров паспортов прочности при испытании по естественной поверхности ослабления ОБТ и по поверхности среза алмазной пилой ОББ

Средние значения

DST DSS

Сср, кПа Рср, ° Сср, кПа Рср, °

12,88 34,20 9,39 29,54

образуется естественным путем, имеет большую шероховатость и выступы, нежели поверхность, полученная при распиле образца алмазной пилой.

При испытаниях выяснилось, что угол внутреннего трения ф достаточно устойчив по отношению к условиям эксперимента, а параметр С очень критичен к величине нормального давления и выбору точки на кривой, соответствующей моменту срыва. Для некоторых образцов момент срыва проявлялся неотчетливо, что вносило значительную погрешность, поэтому было предложено регистрировать одновременно с механическими параметрами также акустическую эмиссию, что позволило бы устанавливать момент срыва более четко.

Полученные результаты и методики испытаний могут быть использованы при расчете коэффициента запаса устойчивости массива пород вокруг

1. ГОСТ Р 53582-2009. ГРУНТЫ. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов. М.: Стандартинформ.- 2010.

2. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: МНТКС. - 1997.

3. Australian Standard AS 1289.6.2.21998. Methods of testing soils for engineering

выработок на карьерах и в подземных рудниках и шахтах, а также при интерпретации результатов геоконтроля.

Выводы

1. По результатам испытании образцов скальных горных пород по поверхностям ослабления установлено, что угол внутреннего трения р слабо зависит от условии нагружения, а сцепление C сильно зависит от нормального напряжения и скорости сдвига при испытании.

2. Для повышения достоверности определения паспорта прочности необходима разработка методов более точного определения момента срыва верх-неи части образца относительно ниж-неи, например, посредством регистрации активности акустическои эмиссии (ААЭ). В момент срыва происходит рез-киИ скачок ААЭ, в этот момент следует произвести отсчет напряжения сдвига.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

purposes - Soil strength and consolidation tests - Determination of shear strength of a soil - Direct shear test using a shear box.

4. Hencher S.R. Interpretation of direct shear tests on rock joints // Rock Mechanics, Daemen & Schultz (eds).- Departament of Earth Sciences, The University of Leeds, UK.- Balkema, Rotterdam. 1995.- pp. 99106. Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Тавостин Михаил Николаевич - кандидат технических наук, зав. лаб. ООО «Подземгазпром», mihail.tavostin@yandex.ru

Вознесенский Александр Сергеевич - профессор, доктор технических наук, каф. «Физико-технический контроль процессов горного производства», al48@mail.ru, Куткин Ярослав Олегович - аспирант каф. ФТКП, kutnew@mail.ru Московский государственный горный университет.