CC BY
233
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 004.42:622.235
М.А. Волков, Д.В. Соловьев, Л.А. Белина, А.Г. Пимонов
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ РАЗРУШЕНИЯ
При проектировании горных работ и контроле состояния горного массива необходим комплекс сведений о физикомеханических свойствах горных пород. Более того, нужна определённая систематизация горных пород по свойствам для того, чтобы без проведения специальных углубленных исследований можно было бы представлять основные особенности поведения массива горных пород при определенных видах воздействий, и тем самым контролировать и прогнозировать процессы разрушения, происходящие в массиве. Систематизация образцов горных пород по
физико-механическим свойствам представляет собой весьма ответственную и чрезвычайно сложную задачу. Ещё более сложной задачей представляет-
ся классификация массивов горных пород.
В настоящее время уделяется большое внимание разработке и совершенствованию бесконтактных методов контроля и прогнозирования динамических форм проявления горного давления. Одним из таких методов является метод регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ). Образование, рост и распространение трещин в деформируемых материалах с различными скоростями нагружения представляют интерес для описания процессов хрупкого разрушения горных пород в условиях их залегания [1].
При изучении физико-
механических свойств горных пород на разных этапах деформирования нами были учтены особенности каждого исследуе-
мого образца. Исследованию подверглись образцы песчаников с шахты Романовской. Из кернов диаметра ё=56 мм были изготовлены образцы разной высоты к (10 мм, 20 мм, 30 мм). В ходе экспериментов регистрировались нагрузка, деформация и параметры импульсов ЭМИ от начала нагружения до момента достижения предельной нагрузки нагружающим устройством [2]. По экспериментальным данным были построены диаграммы деформирования горных пород (рис. 1).
Одной из характеристик физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения является коэффициент связи напряжений и деформации. На участке упругого деформирования (рис. 1, II) этот коэффициент имеет смысл модуля упругости горной породы при сжатии - модуль Юнга. Модуль Юнга характеризует горную породу как материала. За пределом упругости (рис. 1, III) происходит пластическое деформирование с образованием необратимых остаточных деформаций. Для характеристики этого процесса используется модуль деформации. Модуль деформации отражает структурные особенности деформируемых образцов, поэтому модуль деформации всегда меньше модуля Юнга. Модуль деформации на этапе раскола образца (рис. 1, IV) или модуль спада является важной характеристикой деформационных свойств горных пород за пределом их прочности на сжатие. На запредельном этапе разрушения
а,є
є
Рис. 1. Диаграмма деформирования образца №9 песчаника (ш. Романовская, Н=30мм)
Таблица 1. Сводная таблица деформационных свойств образцов песчаника (ш. Романовская)
Высота (к), мм 10 20 30
Образец, № 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Модуль Юнга (Е), 102МПа 14,46 12,25 11,05 33,57 69,14 62,70 90,26 122,07 127,73
Модуль деформации при сжатии, 102МПа 8,48 6,55 10,05 34,52 48,62 44,62 92,60 120,72 112,35
Модуль спада (М), 102МПа 5,49 7,71 6,44 124,83 84,28 298,68 288,05 387,67 251,44
Модуль запредельной деформации, 102МПа 3,68 3,90 4,50 10,02 9,84 9,80 20,55 16,03 17,86
Остаточная прочность (ст0), МПа 0,00 0,00 21,48 38,23 29,52 43,13 38,07 41,75 41,98
Коэффициент остаточной прочности (£), % 0 0 36 43 42 50 45 47 48
Предел прочности на одноосное сжатие (асж), МПа 43,61 57,14 59,91 89,77 70,83 86,74 84,21 88,57 87,07
Коэффициент пластичности (П) 2,10 1,71 1,56 2,35 1,59 1,96 2,02 2,08 1,92
Коэффициент ударо-опасности (Куд) 0,48 0,58 0,64 0,42 0,63 0,51 0,49 0,48 0,52
(рис. 1, V, VI) определяется модуль запредельной деформации. Рассчитанные характеристики деформационных свойств образцов песчаника приведены в табл. 1.
Отношение модуля спада к модулю деформации при сжатии характеризует склонность горных пород к хрупкому разрушению. Остаточная прочность горных пород изменяется
обычно в интервале от 3% до 20% от предела прочности на одноосное сжатие. В наших исследованиях это отношение находилось в интервале от 42% до 50% при А=20,30мм, т.к. дефор-
Таблица 2. Сводная таблица показателей работы разрушения образцов песчаника (ш. Романовская)
Высота (к), мм 10 20 30
Образец, № 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Полная работа допредельного разрушения (Ар), Дж 12,9 25,3 32,9 82,4 57,5 76,6 95,3 88,9 116,1
Удельная работа допредельного разрушения (А*), 105Дж/мЛ3 199,8 362,2 455,7 286,1 202,1 263,1 220,5 184,7 251,4
Работа упругого деформирования (Ау), Дж 1,4 3,0 3,6 14,5 9,4 11,1 18,6 16,0 17,0
Работа неупругого допредельного деформирования (Ага), Дж 11,5 22,3 29,3 67,9 48,1 65,5 76,7 72,8 99,1
Работа запредельного деформирования (А3), Дж 118,9 110,6 89,6 67,5 58,4 77,6 28,4 28,7 29,3
Коэффициент хрупкости (КХр) 0,11 0,12 0,11 0,18 0,16 0,14 0,19 0,18 0,15
мирование образцов производилось в постоянном объеме.
Предел прочности при одноосном сжатии образцов горных пород - наиболее часто определяемая характеристика прочности. Прочность на сжатие пород даже образцов из одного керна в зависимости от состава и структуры может колебаться в широком диапазоне. В наших исследованиях предел прочности принимал значения от 84 до 90 МПа при к=20,30мм. Образец №5 имел структурные особенности, повлиявшие на его прочностные свойства.
Пластические свойства могут быть также охарактеризова-
ны коэффициентом пластичности, для вычисления которого предложено несколько подходов. Один из них, получивший широкое признание, определяется отношением полной деформации до достижения предела прочности материала к упругой деформации, т. е. до предела упругости. В наших
исследованиях он принимал значения от 1,56 до 2,35. Альтернативным показателем по отношению к коэффициенту пластичности является коэффициент хрупкости, отражающий способность горных пород разрушаться без проявления необратимых (остаточных) деформаций. Он определяется соотношением работы, затраченной на деформирование породы до достижения предела упругости к общей работе на разрушение. Значения коэффициента хрупкости для различных пород изменяются в весьма широких пределах. В наших исследованиях он принимал значения от
0,14 до 0,19 при к=20,30мм. Полученные оценки работы разрушения образцов песчаника на разных этапах приведены в табл.
2.
На основе ранее приведенных модуля Юнга и модуля спада были рассчитаны предельная скорость распространения микротрещин в упругой
среде и при расколе. В ходе эксперимента регистрировались времена нарастания фронта импульсов ЭМИ. По значениям скорости и времени нарастания фронта импульсов были определены линейные размеры микротрещин и поверхности разрушения на всех этапах. Рассчитанные линейные и скоростные показатели образцов песчаника приведены в табл. 3.
Приведенные характеристики были рассчитаны с использованием автоматизированной информационно-расчетной системы для изучения физикомеханических свойств горных пород на разных этапах разру-
шения [3]. Определяемые физико-механические свойства являются прочностными характеристиками не массива горных пород, а образцов, имеющих определенную форму, дефектность и нагружаемых определенным способом при определенных условиях. Количество оцениваемых физико-механи-
Таблица 3. Сводная таблица линейных и скоростных показателей образцов песчаника (ш. Романовская)
Высота (к), мм 10 20 30
Образец, № 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Предельная скорость распространения микротрещин в упругой среде (Ум), 102м/с 2,76 2,52 2,42 4,20 6,08 5,81 6,94 8,06 8,19
Предельная скорость распространения микротрещин при расколе (V), 102м/с 1,70 2,00 1,85 8,11 6,71 12,69 12,40 14,37 11,49
Полная поверхность допредельного разрушения (2), 10-5м2 56 63 66 163 211 142 219 232 223
Полная поверхность всех этапов разрушения (2п), 10-5м2 200 200 240 236 267 227 259 241 245
Средний размер микротрещин (Ьср), 10-4м 7 5 6 8 4 12 9 11 12
Критическая концентрация микротрещин (Ж*), 106м3 124,30 396,79 214,87 113,18 642,51 28,52 62,49 39,08 32,49
ческих свойств горных пород может быть сколь угодно велико. Для прогнозирования и кон-
троля процессов, происходящих в массиве горных пород, в первую очередь, представляют ин-
терес механические и плотност ные свойства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Егоров П.В. и др. Исследование разрушения твердых тел методом регистрации импульсного электромагнитного излучения.- Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001.- 201 с.
2. Волков М.А. и др. Комплекс программ оценки физико-механических свойств горных пород по результатам исследования процесса разрушения методом электромагнитного излучения// Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса: Материалы I Региональной научнопрактической конференции.- Прокопьевск: изд-во КузГТУ, 2007.- С. 167-170.
3. Волков М.А. и др. ХМЬ-хранилище для оценки электрофизических характеристик нагружаемых образцов горных пород// Вестн. КузГТУ.- 2006.- №6.2.- С. 68-72.
□ Авторы статьи:
Волков Михаил Анатольевич
- аспирант каф. вычислительной техники и информационных технологий
Соловьев Дмитрий Валерьевич
- аспирант каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Белина
Любовь Александровна
- канд. техн. наук, доц. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Пимонов Александр Григорьевич
- докт. техн. наук, проф., зав. каф. вычислительной техники и информационных технологий
