CC BY
70
УДК 539.3
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЙ УПРУГИХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
ПОСЛЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
© А.Н. Кочанов
Ключевые слова: горная порода; взрывное воздействие; скорость продольных волн; прочность; эксперимент; время.
Анализируются результаты экспериментов по оценке изменений упругих и прочностных свойств образцов горных пород с течением времени после неразрушающего взрывного воздействия. Исследования проведены ультразвуковым методом с использованием в качестве информативного параметра скорость продольных волн.
Разрушение как процесс, принципиально развивающийся во времени, всегда сопровождается определенным изменением физико-механических свойств материалов, которое обусловлено накоплением разного рода повреждений и может при определенных условиях носить обратимый характер [1-2]. В настоящей работе экспериментально исследована динамика упругих и прочностных свойств горных пород после взрывного воздействия. Методика проведений исследований и отдельные результаты отражены в ранее опубликованных работах [3-4]. Упругие свойства оценивались по скорости продольных волн. Ультразвуковые измерения осуществлялись непосредственно до, после и в течение 10-12 месяцев после взрыва. Оценка прочностных свойств образцов после взрыва осуществлялась методом раскалывания, который предусматривал определение предела прочности на растяжение в любом заданном сечении образца. Раскол образца на пластины производился последовательным приближением к центру взрыва. Вид образца песчаника после испытаний методом раскалывания представлен на рис. 1.
В центре образцов размещался заряд, масса которого подбиралась с таким расчетом, чтобы исключить разрушение образцов на части и любые видимые нарушения.
По результатам экспериментов получены зависимости относительного изменения скорости продольных волн и прочности с расстоянием от заряда, наиболее характерные из которых представлены на рис. 2 и 3. За относительное изменение скорости <1СР принималась разность между скоростью до взрыва и скорости после взрыва, отнесенная к скорости до взрыва.
В ходе испытаний на прочность методом раскалывания установлено, что предел прочности на растяжение вблизи заряда непосредственно после взрыва составляет порядка 2-5 МПа, а в ненарушенной области - 7-10 МПа.
Результаты ультразвукового контроля исходного образца песчаника представлены на рис. 4а. Определение скорости выполнено в 12 точках образца с шагом перемещения датчиков, которые располагались на противоположных гранях, 3 см. Следует указать на относительное увеличение скорости продольных волн осо-
бенно в первый месяц наблюдений. На возможность изменения скорости продольных волн при старении и влагонасыщении образцов горных пород указывалось в работе [5].
На рис. 4б представлено для этого же образца относительное изменение скорости после взрыва с расстоянием от заряда, который располагался между точками 6 и 7. Максимальное изменение скорости вблизи заряда составляет 50 %, а затем наблюдается ее рост скорости с течением времени. Следует отметить, что имеется целый ряд данных, свидетельствующих о склонности горных пород и материалов к релаксации после воздействия различных физических полей. Так, при испытании бетона на изгиб установлено, что акустическая эмиссия восстанавливается полностью после трехмесячного интервала [6]. Известно также, что увеличение скорости имеет место при контроле образцов, извлеченных с больших глубин [7].
На рис. 5 приведены зависимости скорости продольных волн для пород после взрывного воздействия и исходного образца песчаника, а также для образцов габбро-долеритов, излеченных с больших глубин. Анализ графиков показывает их сходство в изменение скорости продольных волн в образцах, подвергнутых взрывному воздействию и в образце габбро-долерита. Впервые 2-3 месяца скорость продольных волн значительно возрастает, затем ее значения стабилизируются при последующем незначительном ее увеличении. Рост значений скорости продольных волн имеет место и для эталонного образца песчаника.
Анализ результатов исследований позволяет утверждать, что имеют место два независимых физических процесса. Первый связан с реакцией среды на взрывное воздействие, а второй может быть вызван длительной ультразвуковой обработкой при проведении измерений [8].
Прочностные испытания образца песчаника, распределения скоростей которого представлено на рис. 4, показали, что значение предела прочности на растяжение составляет 3-4 МПа при значениях 7-10 МПа для эталонного образца. Это свидетельствует о том, что прочность после взрыва практически не восстанавливается.
1685
Рис. 1. Вид образца песчаника после испытаний на прочность
Рис. 2. Зависимость относительного изменения скорости продольных волн от расстояния до заряда
Рис. 3. Зависимость предела прочности на растяжение от расстояния до заряда
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
к С
kf < > —1 fl 1
L Vs
—3 —x—4 —ж—5 —0—6
(б)
Рис. 4. Динамика относительного изменения скорости продольных волн в исходном образце (а) истечением времени после взрывного воздействия (б); 1 - непосредственно после взрыва; 2 - через день; 3 - через 15 дней; 4 - через 2 месяца; 5 - через 7 месяцев; 6 - через 11 месяцев
5500 5000 о 4500 5* 4000 3500 3000
^>-2
—■—4
100 200 300
t. СУТКИ
400
Рис. 5. Значения скорости продольных волн в образцах различных пород с течением времени: 1 - габбро-долериты по данным Л.В. Шаумян; 2 - песчаник после взрыва; 3 - песчаник без взрывного воздействия; 4 - известняк после взрыва
Таким образом, анализ результатов исследований свидетельствует о том, что при неразрушающем взрывном воздействии изменение упругих свойств, в отличие от прочностных, носит обратимый характер. Динамика процесса зависит от уровня поврежденности конкретного объема образца. Обычно это многомесячный процесс с тенденцией постоянного, иногда неравномерного, роста скорости, но вопрос, почему этот процесс имеет столь длительную реализацию остается открытым и требует дальнейшего изучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Куксенко В.С. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочности и пластичности. М.: Наука, 1986. С. 5-11.
2. Френкель Я.И. Теория обратимых и необратимых трещин в твердых телах // ЖТФ. 1952. Т. 22. Вып. 11. С. 1857-1866.
3. Викторов С.Д., Кочанов А.Н. Изучение процессов свободной разгрузки образцов горных пород после взрывного нагружения // ФТПРПИ. 2004. № 2. С. 52-57.
4. Кочанов А.Н. Исследование особенностей эволюции микродефектов при взрывном разрушении горных пород // Инженерная физика. 2007. № 6. С. 48-51.
5. Константинова А.Г., Мусакина Т.В., Серикбаев Т.Р. Об ультразвуковом контроле старения и увлажнения образцов горных пород // ФТПРПИ. 1980. № 2. С. 21-27.
6. Муравин Г.Б., Гурьев А.В. Исследование акустической эмиссии при деформировании железнобетонных изгибаемых элементов // Физические аспекты прогнозирования разрушения и деформирования гетерогенных материалов: сб. Л., 1987. С. 120-133.
7. Шаумян Л.В. Природа физико-механических свойств массивов горных пород. М.: МГУ, 1988. 192 с.
8. Шамина О.Г., Паленов А.М., Стопинский З.И., Ткаченко В.С., Якушина Н.А. Влияние ультразвуковых вибраций на физикомеханические свойства пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990. № 8. С. 93-101.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013г.
Kochanov A.N. DYNAMICS OF CHANGES OF ELASTIC AND STRENGTH PROPERTIES OF ROCKS AFTER EXPLOSIVE IMPACT
The results of the experiments on the evaluation of changes of elastic and strength properties of samples of rocks with the passage of time after on-destructive explosive impact are analyzed. The studies were carried out by ultra sonic method using as an informative parameter speed of long itudinal waves.
Key words: rock; explosive action; speed of long longitudinal waves; strength; experiment; time.
1686
