CC BY
32
© В.И. Попов, А.С. Курилко, 2008
УДК 551.341
В.И. Попов, А. С. Курилко
О ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПО НА ЧАЛЬНОЙ ПОРИСТОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ *
Семинар № 4
Оценка прочности горной породы после воздействия циклов замораживания оттаивания позволяет контролировать устойчивость откосов бортов карьеров и поверхности подземных горных выработок, а также делать долгосрочные прогнозы поведения различных геотехнических сооружений, используемых в горном производстве.
Предварительные испытания морозостойкости образцов горных пород позволили выявить целесообразность наиболее полного учета связи индивидуальных свойств образцов - сложения, пористости с показателями прочности. Так образцы с минимальной пористостью практически оставались неизменными при значительном числе циклов (~ 200). Образцы содержащие мергелистые включения и отличающиеся более высокой пористостью практически дезинтегрировались после 10~ 20 циклов.
Существование микротрещин в горных породах сейчас не подвергается сомнению [1]. При взаимодействии микротрещин с полем напряжений, последние могут получать импульс роста или наоборот закрыться.
В работе [2] на основании экспериментальных данных получены линейные
зависимости прочности горных пород от пористости - стПР = ст(т).
При циклическом замораживании оттаивании т.е. при испытаниях на морозостойкость исследуется характеристика СТПР = ст^) где N - число циклов. Предположение о развитии дефектности горной породы при циклическом замораживании - оттаивании требует соответствия зависимостей ст (т) о ст (14) т.е. знания кинетики роста пористости горной породы т = т^) с ростом циклов.
В этой связи представляется необходимой предварительная сортировка, классификация исходного материала, подготовленного к испытаниям по характерным признакам. Это позволит оценивать планируемые, целенаправленные воздействия и получать коррелированные, количественно и качественно сравниваемые результаты.
Из отобранных кусков породы для испытаний были изготовлены образцы правильной кубической формы 30х30х30 мм. По минералогическим признакам испытуемые образцы горных пород относятся к известнякам.
После водонасыщения и последующей сушки на основании результатов
*Работа выполнена при поддержке грантом РФФИ (06-05-96121).
о о о о о о о
Пористость (%)
взвешивания определялась максимальная влагоемкость, которая отождествлялась с пористостью образца. Таким образом каждый образец был индивидуализирован путем присвоения ему порядкового номера и значения первоначальной пористости, веса и размеров.
На рис. 1 представлена гистограмма частот распределения образцов по начальной пористости. На основании данного распределения было решено
разбить испытываемую совокупность
Рис. 1. Число образцов при различных значениях пористости
образцов на три группы с характерной для каждой ос-редненной начальной пористостью.
Вначале из каждой группы с различной пористостью выбрали партии образцов по двадцать штук. Они были испытаны на предельную прочность при сжатии в исходном состоянии, в качестве базы сравнения, при комнатной температуре +20 °С.
Образцы подготовленные к выстойке приготовлялись в двух ва-риантах, по десять штук в воздушно сухом и влагонасыщенном. Необходимость такого разделения связана с получением оценки влияния начальной влажности на процесс понижения прочности при низкотемпературной выстойке. Далее образцы выдерживались в морозильной камере «Бирюса» при температурах вы-стойки в диапазоне (+5 - -20)°С. После выстойки при установленной температуре в течение четырех часов опытная группа образцов испытывалась на проч-
Таблица 1
Средние значения прочности образцов
Пористость Состояние Т=+20 Т=+2 Т=-3 Т=-5
Максималь- Сухой 111,8 147,72 114,1 113,7
ная Влажный 124,9 81,05
Средняя Сухой 104,5 101,4 117,1 130,9 154,3
Влажный 116,1 78,4
С гидрофобной обмазкой 101,683 76,5
Минималь- Сухой 135,1 133,4 119,4
ная Влажный 84,95 97,4
С гидрофобной обмазкой 75,48 89,63
Рис. 2. Зависимость относительной прочности образцов пород от циклов замораживания-оттаивания при различной начальной пористости
нове статистических критериев достоверность её изменения.
Осредненные значения прочности образцов по группам с различной пористостью составили
ность методом одноосного сжатия на машине UTS-250. Результаты испытаний прочности образцов при различной начальной пористости приведены в табл. 1. Значимость корреляционных связей между пористостью и прочностью материала определенные стандартными программами обработки Excel не ниже - 0,72.
Предварительная классификация образцов на группы с нормальным распределением пористости позволяет более обоснованно определять величину и динамику прочности для различных групп при стандартных знакопеременных температурных воздействиях, общих для всей совокупности образцов.
На основе оценки влияния температурных воздействий на образцы с различной пористостью представляется возможным прогнозирование поведения горных пород и моделирование механизмов их естественного разрушения[3].
На основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, установлены доверительные интервалы изменения прочности а на ос-
Пористость 0,05-0,2% >0.4%
T=+20 135,1 111,8
T=-5 119,4 113,7
Поведение прочности для различных групп в зависимости от пористости носит немонотонный характер, в тоже время средний показатель по всей совокупности образцов даёт снижение прочности до 16 процентов.
Результаты испытаний показали, что образцы с начальной пористостью больше 5 % после 15-20 циклов замораживания-оттаивания самопроизвольно разрушились.
На рис. 2 представлена зависимость прочности влагонасыщенных образцов после циклов замораживания-оттаивания от начальной пористости. Прочность образцов с пористостью меньше 1 % упала после воздействия 20 циклов на 30 %. Прочность образцов с пористостью больше 2,5 % понизилась на 50 % и ниже.
Проведенными исследованиями зафиксировано снижение прочности образцов горных пород при циклических низкотемпературных воздействиях. К сожалению, проведенные исследования не дают возможности определения кон-
кретного механизма этого процесса. Необходимо применение более тонких методов определения пористости и дефектов в образцах горных пород что позво-
1. Разрушение // Том 7, часть 1, Разрушение неметаллов и композитных материалов/ ред. Г. Либовиц, М.: Мир , 1976 С. 635
2. Курилко А.С. // Исследование прочности пород после воздействия циклов замораживания-оттаивания./ А.С. Курилко, В.И. Попов. ГИАБ, 2004, № 9, с.132-134.
лит дифференцировать механизмы роста дефектности образцов при знакопеременном температурном воздействии.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Курилко А.С.// Динамика стркктуры по-
рового пространства при циклическом замораживании - оттаивании горных пород. /Труды международной научно-практичес-кой конференции (г. Якутск 14-17 июня 2005 г.) Т.2 Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных искоаемых криолитозоны. С. 5759. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Курилко А.С. - доктор технических наук, зав.лаб. лаборатории горной теплофизики,
Попов В.И. - ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, лаборатории горной теплофизики,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского, СО РАН.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
А
--------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДА ТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Леко Г.Г. Взаимосвязь кадровой политики и стратегии развития многоотраслевого комплекса (637/07-08 — 18.04.08) 4 с.
2. Гриб Н.Н., Сясько А.А., Качаев А.В. Применение геофизических методов для поисков и локализации золоторудных месторождений докембрия на Алдано-Становом щите (638/07-08 — 18.04.08) 20 с.
3. Сясько А.А., Гриб Н.Н., Качаев А.В. Выделение поисковых критериев золоторудных месторождений докембрия на Алдано-Становом щите (639/07-08 — 18.04.08) 19 с.
