CC BY
39
--------------------------------- © А.А. Барях, В.А. Асанов, И.Л. Паньков,
В.Н. Токсаров, М.А. Кирисюк, 2010
УДК 622.831
A.А. Барях, В.А. Асанов, И.Л. Паньков,
B.Н. Токсаров, М.А. Кирисюк
ИЗУЧЕНИЕ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
Проведены экспериментальные исследования масштабного эффекта при сжатии образцов соляных пород кубической формы. Введено понятие нормированных коэффициентов для рассматриваемых прочностных и деформационных параметров, анализ которых позволил установить существенное уменьшение разрушающей деформации с увеличением размера образца при незначительном изменении предела прочности.
Ключевые слова: соляные породы, масштабный эффект, прочность, разрушающая
деформация.
Основной задачей обеспечения безопасных условий ведения горных работ на Верхнекамском
месторождении калийных солей (ВКМКС) является предотвращение прорыва надсолевых вод в подземные горные выработки. Для поддержания сплошности водозащитной толщи используется камерная система разработки, параметры которой, согласно нормативным документам [1], определяются исходя из величины агрегатной прочности соляных пород. Величина данного показателя зависит, как от эквивалентной прочности, определяемой по средневзвешенным значениям прочности слоев пород по высоте целика, так и от различных влияющих факторов, одним из которых является масштабный эффект.
Изучение масштабного эффекта проводилось на кубических образцах соляных пород различных размеров, изготовленных из породных монолитов, отобранных на шахтных полях рудников ВКМКС. Всего для испытаний было подготовлено более 240 образцов с длиной боковой грани от 30 до 200 мм.
Семинар № 4
Испытания образцов в условиях
одноосного сжатия проводились по
стандартной методике [2] на
оборудовании, обеспечивающем
жесткий режим нагружения и
автоматическую запись диаграммы
нагружения (осевое напряжение -
относительная продольная деформация),
по которым определялись параметры
деформирования. Испытание образцов с
линейными размерами менее 10 см
проводилось на электромеханическом
прессе Zwick/Z250 (предельная нагрузка
250 кН). Образцы с линейными
размерами 10 см и более испытывались
на гидравлическом прессе Toni/Norm
(предельная нагрузка 5000 кН).
Измерение продольных деформаций
проводилось между плитами пресса.
В процессе эксперимента
поддерживалась постоянная скорость
деформирования, составлявшая 1,0102 -1 мин .
При обработке диаграмм определялись следующие параметры деформирования: предел прочности на сжатие (спр, МПа), разрушающая деформация (епр, %),
предел упругости (су, МПа),
деформация на пределе упругости (еу, %), предельный модуль деформации (Опр, ГПа), касательный модуль деформации ^у, ГПа), модуль упругости(£, ГПа), модуль спада (М, ГПа), удельная энергоемкость разрушения (Шу, МДж/м3). Схема определения параметров
деформирования приведены на рис. 1.
Для сопоставления результатов испытаний было произведено нормирование всех рассматриваемых параметров. Нормирование проводилось путем деления показателя, полученного для образца произвольного размера на соответствующий показатель,
полученный для образца с линейными размерами 100 мм. Нормированный коэффициент определялся по формуле:
Я (Ь)
К =
(1)
где Я(Ь) - параметр, определенный при испытании образца с произвольными
размерами L; £
параметр,
определенный при испытании образца с размером Ь = 100мм .
Рис. 1. Схема определения параметров деформирования квазипластичных соляных пород
Введение нормированных коэф-фициентов позволяет производить
как сопоставление, так и осреднение результатов, полученных на образцах, изготовленных из
монолитов, отобранных на различных участках
шахтных полей рудников ВКМКС. Несмотря на то, что в этом случае представление данных происходит в относительном виде, используемый подход позволяет значительно повысить достоверность полученных результатов. В качестве примера на рис. 2 представлены осредненные
результаты относительного изменения предела прочности и разрушающей деформации.
Анализ результатов относительного изменения предела прочности в зависимости от размеров образца, позволил выявить его некоторое увеличение в интервале от 30 до 50 мм. В дальнейшем наблюдается
незначительное уменьшение
рассматриваемого показателя и его относительная стабилизация до 200 мм. В целом полученные предварительные результаты не позволяют говорить о значимом влиянии масштабного фактора на прочностные свойства соляных пород при сжатии.
Нормированный коэффициент
разрушающей деформации уменьшается с увеличением размера образца. Данная тенденция наблюдается для всего анализируемого диапазона (от 30 до 200 мм). В тоже время, наблюдается
1.4
1.2
0.8
0.6
0
□ \ ч 1 і.
\ \ □ \ \ N ч \ 1 і
/ >—1 1 / / / •4 1 1 шіт 1
50
100
150
200
250
снижение интенсивности изменения данного деформационного показателя с
Рис. 2. Изменение нормированных коэффициентов предела прочности (1) и разрушающей деформации (2) в зависимости от размера образца
увеличением размеров
образцов, что, по нашему мнению, свидетельствует о стремлении рассматриваемой зависимости к асимптоте.
Результаты проведенных
исследований необходимо дополнить в части определения механических свойств образцов соляных пород большого размера (300 мм и более).
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 09-05-00837-а «Исследование масштабного эффекта в квазипластичных горных породах при простом и сложном нагружении»).
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. С.-Петербург.-2008.
2. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 10 с. НШЗ
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Барях А.А. -доктор технических наук, профессор, директор института, Асанов В.А. - доктор технических наук, профессор,
Паньков И.Л. - кандидат технических наук, доцент,
Токсаров В.Н., Кирисюк М.А. —
Г орный институт УрО РАН, arc@mi-perm.ru
© В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев,
Н.Л. Бельтюков, 2010
