Изучение влияния степени нагружения и формы образцов на деформирование соляных пород при ползучести Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © И.Л. Паньков, В.А. Асанов,

A.A. Ударпев, 2013

УДК 622.831

И.Л. Паньков, В.А. Асанов, A.A. Удариев

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИ НАГРУЖЕНИЯ И ФОРМЫ ОБРАЗЦОВ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ СОЛЯНЫХ ПОРОД ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ*

Приведены результаты изучения влияния степени нагружения на ползучесть соляных пород на образцах различной высоты. Установлена зависимость влияния степени нагружения и соотношения их размеров на вязкость сильвинитовых пород. Ключевые слова: соляные породы, сильвинит, ползучесть, вязкость, предел длительной прочности.

При ведении подземных горных работ по отработке месторождений водорастворимых руд одной из основных задач является предотвращение прорыва пресных вод в горные выработки из вышележащих водоносных горизонтов. Данная проблема особенно актуальна для рудников Верхнекамского месторождения калийных солей, состояние водозащитной толщи которых в значительной степени определяется особенностью деформирования поддерживающих междукамерных целиков. Вопрос оценки влияния соотношения высоты и ширины грузонесущих элементов на их несущую способность при заданной скорости деформирования рассмотрен в работе [1]. В тоже время, практически не изученными остаются вопросы влияния формы целиков, а также степени нагружения соляных пород продуктивной толщи на характер их ползучести.

Изучение реологических свойств соляных пород проводилось на трех партиях образцов сильвинита пласта

Красный II. Образцы призматической формы имели квадратное основание шириной (а) — 40мми различную высоту (h) — 40, 60 и 80 мм. Соответственно параметр формы (h/a) образцов принимал значения — 1,0; 1,5 и 2,0. Количество образцов в каждой партии составляло не менее 30 ч 35 шт. Методика проведения длительных испытаний в режиме одноосной ползучести приведена в работе [2, 3].

Перед испытаниями на ползучесть, с целью установления базовых уровней нагружения, для каждой партии образцов определялся условно-мгновенный предел прочности. Эксперимент проводился в соответствии с требованиями ГОСТа [4, 5], при стандартной скорости деформирования — 1 мм/мин. Количество испытанных образцов из каждой партии составляло 5 штук. Средний предел прочности (стпр ) на сжатие сильвини-

товых образцов составлял 16,4 МПа (h/a = 2,0); 23,8 МПа (h/a = 1,5) и 31,2 МПа (h/a = 1,0).

* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №11-05-96010-р_урал_а).

0,2а,

0,3а,

g. 0.012

0,4а,

Г) Rrr

0 20

0,6а,

0,7а,

0,8а,

/ /

/

О 5 10 15 20 25

Рис. 1. Результаты испытаний на ползучесть образцов красного сильвинита при различной степени нагружения:

а — h/a = 2,0

0,2а,

Г)

0,4а,

10 20 Время, сут.

10 20 Время, сут.

0,5а,

10 15 20 0 5 10 15 20 25

0,6а,

0,7а,

0,8а,

/ /

/

10 15 20 25 Время, сут.

6 8 10

Рис. 1 (продолжение). Результаты испытаний на ползучесть образцов красного сильвинита при различной степени на• гружения: б — h/a = 1,5

0,2а,

0,3а,

0,6а,

У

1

0,4а,

Г)

0,7а,

с

г

1 1

О 10 20 30

Время, сут.

Время, сут.

Рис. 1 (окончание). Результаты испытаний на ползучесть образцов красного сильвинита при различной степени на-гружения: в — h/a = 1,0

о

0

1

■у о

Œ С JS

0

1 .0 с; <u

с; ч:

I

<u

m о

0.8 ■

0.6 ■

0.4 •

0.2 ■

0

0.5

1

1.5 2

Отношение h/a

Рис. 2. Характер изменения коэффициента длительной прочности образцов красного сильвинита от отношения h/a

Для проведения длительных испытаний использовались гидравлические прессы с максимальным усилием 15 тонн, позволяющих поддерживать постоянную нагрузку (ст) на образец в процессе экспериментов. Степень на-гружения (ст/стпр ) образцов составляла

0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0, 6; 0,7 и 0,8. Конструкция каждого пресса позволяла проводить испытания, при одинаковом осевом давлении одновременно трёх образцов. Измерение продольных деформаций осуществлялось 2-мя индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, расположенными симметрично относительно оси образца. Измерение деформаций проводилось через возрастающие промежутки времени: первые сутки через — 20 мин., 1 час, 3 часа; вторые сутки — 2 раза (утром и вечером); в последующем контроль деформаций проводился один раз в сутки.

Результаты изменения деформаций во времени образцов каждой партии использовались для построения кривых ползучести (рис. 1), пределов длительной прочности (ста) и коэффициентов длительной прочности (ст^/стпр ).

Анализ полученных экспериментальных данных выявил тенденцию увеличения коэффициента длительной прочности с уменьшением высоты образца (рис. 2). Полученный вывод, в целом, согласуется с результатами предыдущих исследований по влиянию формы соляных образцов на коэффициент длительной прочности, выполненных по ускоренной ползуче-релаксационной методике [3].

Анализ кривых ползучести показал, что для механико-математического описания деформирования силь-винитовых пород во времени может быть использована упруго-вязкая среда Максвелла, реологическое уравнение которой имеет следующий вид:

6е 1

2.5

du u

dt ~ E '~dt + ^'

(1)

где е — деформация, ст — действующее напряжение, t — время, Е — модуль деформации, ц — вязкость геосреды.

Исследованиями установлено, что вязкость красного сильвинита не является постоянной величиной и уменьшается с увеличением степени нагружения образца. Влияние степени нагружения на вязкость сильвини-товых пород при описании процессов

5.0x1015 4.0x1015 3.0x1015

_û t о

2.0x1015

1.0x1015

2.5x1015

2.0x1015

t о

S? 1.0x1015

5.0x1014

0 0.2 0.4 0.6 0.8 Степень нагружения

1.2 0.4 0.6 0.8 Степень нагружения

2.0x1015

1.6x1015

,5 1.2x1015 _û 8

I 8.0x1014 m

4.0x1014 0.0x100

--- 2

1.2 0.4 0.6 0.8 Степень нагружения

Рис. 3. Характер изменения вязкости сильвинита от степени нагружения для образцов различной высоты: а) h/a =

2,0; б) h/a = 1,5; в) h/a = 1,0; (цифрами обозначены степенная (1) и обратная пропорциональная (2) аппроксимирующие зависимости)

£ 1.5x101

0.0x10

0.0x10

в

Результаты определения параметров аппроксимирующих зависимостей, характеризующей влияние нагрузки на вязкость образцов сильвинита

Параметр формы, h/a Параметры аппроксимирующих зависимостей

Степенная Обратная пропорциональная

А, Па-с B С, Па-с

1,0 1,77-1013 -3,36 3,13-1014

1,5 6,18-1013 -2,61 4,02-1014

2,0 2,25-1014 -2,12 8,45-1014

ползучести или релаксации хорошо аппроксимируется степенной зависимостью (рис. 3, кривая 1). Для описания более сложных режимов нагружения, реализуемых в геосреде (например, при постоянной скорости деформирования) лучше использовать

обратную пропорциональную зависимость (рис. 3, кривая 2).

Ниже приведен вид полученных эмпирических соотношений:

^ = Л •

( \ ст

ст

V "Р У

л = С •

( \ ст

VCT"P У

(2)

где A и B — параметры аппроксимации степенной зависимости, С — параметр аппроксимации обратной пропорциональной зависимости.

Установлено, что значения параметров выражений (2) не являются постоянной величиной, а изменяются в зависимости от параметра формы соляных образцов. В таблице приведены результаты определения параметров степенной и обратной пропорциональной аппроксимаций для образцов красного сильвинита с различным отношением высоты к ширине (h/a).

Установлено, что с увеличением высоты образцов возрастают значения параметров деформирования сильвинита во времени (таблица). Полученные результаты использованы

для построения эмпирических зависимостей влияния параметра формы на вязкость сильвинита:

Л = 1,7 • 1013-I-I Па• с,

B = -3,6'

Л = 2,8 • 1014 -I - I Па • с

(3)

Результаты проведенных реологических исследований предназначены для геомеханической оценки состояния водозащитной толщи во времени при ведении горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей.

1. Деформирование квазипластичных соляных пород при различнык условиях на-гружения. Сообщение 1. Закономерности деформирования соляных пород при одноосном сжатии / В.М. Жигалкин, О.М. Усольцева, В.Н. Семенов, П.А. Цой, В.А. Асанов, А.А. Барях, И.Л. Паньков, В.Н. Токсаров // Физико-технические проблемы разработки полезный ископаемых. — 2005. — №6. — С. 14—24.

2. Асанов В.А., Паньков И.Л. Изучение особенностей деформирования соляных пород при длительном нагружении / Мат. Межд. конф. «Неделя горняка-2009», Москва, МГГУ, Горный информационно-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

аналитический бюллетень, №1, 2010, С.105-109.

3. Асанов В.А., Паньков И.Л., Аникин В.В. Деформирование соляных пород при длительном нагружении // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2011. — № 4. — С.50-56.

4. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. — М., 1985. — 10 с.

5. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. — М., 1991. — 19 с. ЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Паньков И.Л. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, [email protected], Асанов В.А. — доктор технических наук, заведующий лабораторией, [email protected], Горный институт УрО РАН, Ударцев А.А. — студент,

Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

_Д