О механизме явления смены знака приращения деформаций образцов горных пород при одноосном сжатии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В.В. Макаров, А.А. Опанасюк, 2002

УДК 539.3

В.В. Макаров, А.А. Опанасюк

О МЕХАНИЗМЕ ЯВЛЕНИЯ СМЕНЫ ЗНАКА ПРИРАЩЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

А

номальный характер деформирования образцов горных пород при сжатии в предразрушающей области нагружения, по-видимому, впервые установлен И.С. Томашевской и Я.Н. Хами-дуллиным в 1972 году при объемном нагружении образцов [1]. Для объяснения явления выдвинута гипотеза дилатансии. Гипотеза не объясняет смену знака приращения поперечных деформаций.

Аномальный характер деформирования центральной части образцов, подвергнутых термообработке, исследован в [2]. Для объяснения явления выдвинута гипотеза остаточных напряжений. Гипотеза не объясняет противоречие между аномальным характером деформирования образца в центральной части и обычным характером деформирования образца в целом.

Исследования деформирования больших образцов горных пород и бетона в предразрушающей стадии нагружения также показывают наличие деформационных аномалий [З]. Для

объяснения полученных результатов выдвинута гипотеза упругого восстановления деформаций вблизи образующихся трещин. Гипотеза имеет те же недостатки, что и гипотеза остаточных напряжений.

Авторами также исследован характер деформирования образцов горных пород в предразрушающей стадии нагружения. Эксперименты проведены на образцах цилиндрической формы по стандартной методике [4] с фиксированием деформаций тен-зорезисторами с базой 10 мм и использованием в качестве регистрирующей аппаратуры тензостанции СИИТ-3. Установлено, что смена знака приращения деформаций происходит одновременно в осевом и поперечном направлении (рис. 1). Для объяснения явления выдвинута гипотеза трещины отрыва, возникающей при сжатии.

Явление отрыва при сжатии исследовано аналитически в рамках микромеханики [5]. Основными концептуальными положениями являют-

ся сложный сдвигово-отрывной характер процесса разрушения и сохранение формирующимися макротрещинами основных свойств микротрещин (модель трещины с контактирующими берегами и точечным характером контактов). Этот подход выдержан при проведении экспериментов по определению механизма аномального характера деформирования образцов.

Разработаны способ создания в образце горных пород искусственных трещин, моделирующих экранирующее действие трещин отрыва, а также методика определения деформированного состояния вблизи таких трещин. Трещины моделируются вертикальными распилами, наносимыми тонкими алмазными дисками в нагруженных образцах. Распилы наносились в образцах аргиллита после их многократного циклического нагружения. Измерения проводятся тензо-резисторами по многоточечной схеме или по схеме неподвижного репера.

Установлено, что после создания распила наступает смена знака приращения деформаций, обусловленная упругим восстановлением, однако ее величина весьма незначительна, что не позволяет объяснить деформационную картину (рис. 1). Кроме того, непосредственно после создания распила наступает период релаксационного восстановления, что очень быстро нивелирует эффект смены знака приращения деформаций. Контрольные эксперименты на образцах плотной резины подтвердили полученные результаты.

Разработаны способ создания в образцах искусственных трещин, моделирующих распирающее действие сдвиговых микродефектов, инициирующих отрыв, а также методика определения деформированного состояния материала вблизи таких трещин. Трещины моделируются разрезами, наносимыми в ненагруженных мягких образцах горных пород тонким режущим инструментом с внедрением этого инструмента в материал.

Установлено, что в этом слу-

Рис. 1. Аномальный характер деформаций образцов горных пород в предразрушающей стадии нагружения: а - схема эксперимента, б - характер деформаций

чае вблизи трещины возникают деформации, характерные для представленного на рис. 1 случая деформационных аномалий. При нанесении разрезов в нагруженном образце два эффекта суммируются, и аномальный характер деформирования качественно воспроизводится экспериментально (рис. 2).

Таким образом, установлен механизм явления смены знака приращения деформаций образцов горных пород в предразрушающей области нагружения при одноосном сжатии, заключающийся в обусловленности деформационных аномалий сложным сдвигоотрывным характером подготовки разрушения. Полученные ре-

Рис. 2. Экспериментальное воспроизведение деформационных аномалий: а -схема эксперимента, б - характер деформаций

зультаты могут быть использованы в целях прогноза динамических явлений типа горных ударов или землетрясений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Томaшeвскaя И.С., XaM^ymuH Я.Н. Предвестники разруше-

ния образцов горных пород//Известия АН СССР. Физика Земли.— 1972.— №5. - С. 12 -20

2. Тажибаев К.Т. Деформация и разрушение горных пород. — Фрунзе: Илим, 1986. - 108 с.

3. Соболев Г.А., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений / Под ред.

А.А.Садовского. — М.: Наука, 1988. — 208 с.

4. Hypocenters distribution and focal mechanisms of AE events under

triaxial compression. Apparatus and hypocenter distribution /Osamu Idehara, Takashi Saton, Osamu Nishizawa, Kinichiro Kusunose //Journal of Seismol. Soc. Japan, 1986, v.39, №2, p. 289-300.

5. Прочность и деформируемость горных пород / Ю. М. Карташов, Б.

В. Матвеев, Г. В. Михеев и др.— М.: Недра, 1979. — 240 с.

6. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород.— М.: ИПКОНРАН, 1996. — 166 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Макаров Владимир Владимирович — доктор технических наук, профессор кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых, Горный институт, Дальневосточный государственный технический университет.

Опанасюк Александр Александрович — аспирант кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых, Горный институт, Дальневосточный государственный технический университет.

© В.В. Макаров, А.М. Летуновский, М.Н. Кива, 2002

УДК 622.23.01:622.268

В.В. Макаров, А.М. Летуновский, М.Н. Кива

О ЗОНАЛЬНОМ ХАРАКТЕРЕ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ, СТРОЯЩИХСЯ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

У

становление закономерностей зонального разрушения массива вокруг подземных выработок является одним из наиболее актуальных вопросов при строительстве подземных сооружений в условиях действия близких к пределу прочности пород напряжений [1]. Свойства формирующейся периодической структуры массива должны быть уточнены: в частности, свойства

промежуточных с зонами трещин участков, а также поведение структуры во времени.

Исследования периодического характера деформирования горных пород вокруг выработки, подвергшейся воздействию горного удара, проведены в условиях Южного месторождения (Приморье) по результатам бурения скважин и анализа выбуренного керна.

Бурение проводилось спустя 9 месяцев после горного удара. Веера

скважин пробуривались на расстоянии 20, 33, 41 и 140 м от центра горного удара. Фиксировались интервалы выхода буровой мелочи, интервалы дискообразования по длине скважины, количество дисков, их толщина и форма, тип пород и руд, пересекаемых скважиной.

Выход буровой мелочи рассматривался как факт наличия трещиноватости, а дискование керна рассматривалось как свидетельство повышенных сжимающих напряжений.

В результате исследования установлена периодическая структура массива горных пород вокруг выработки (рис. 1), где образуется система строго чередующихся зон трещиноватости и относительно монолитных участков массива. К последним, как правило, приурочено дискование керна.

Количество зон трещиноватости уменьшается вдоль выработки с удалением от центра горного удара с четырех до одной, а протяжен-