CC BY
3НАУКИ О ЗЕМЛЕ (GEOSCIENCE)
УДК 550.34
Цвигун В.Н.
канд. технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк, Россия)
Койнов Р.С.
главный разработчик Главный научный инновационный внедренческий центр (г. Новокузнецк, Россия)
Цвигун С.В.
Коммерческий директор ООО РТК (г. Москва, Россия)
ОБРАЗОВАНИЕ ЛИНЗОВИДНЫХ ВЫКОЛОВ ПРИ ГОРНЫХ УДАРАХ
Аннотация: совместное рассмотрение контактных задач и механики контактного разрушения помогает изучению зарождения и роста трещин в хрупких материалах, сравнимых по вязкости разрушения с силикатным стеклом. Процессы роста сдвиговых и изгибно-сдвиговых трещин часто идут как объединение коротких трещин нормального отрыва.
Ключевые слова: линзовидные выколы, горная добыча, горные породы, разрушение горных пород, геоматериалы, образование выколов.
Горные породы имеют очень низкую вязкость разрушения, сравнимую с вязкостью силикатного стекла: К1с гранита - 1,79, мрамора - 1,2 , угля - 0,7 ,
стекла - 0,83 МПам1/2. Геоматериалы слабее на растяжение, чем на сдвиг или сжатие. Сталь слабее на сдвиг, чем на растяжение, поэтому хорошо себя показало инженерное решение в виде стальной несъемной опалубки на бетон (его К1с=2,8), как средство от разрушающих землетрясений
Нагружение горной породы в случае постоянного давления и его пульсации на стенки штрека может приводить к медленному росту трещин путем коалесценции коротких трещин. Короткие трещины сначала образуются в зонах больших напряжений растяжения (перпендикулярно максимальному растяжению или под углом 45 градусов к открытой поверхности). Перпендикулярные - это изгибные трещины, а вторые - сдвиговые трещины. Изгибные трещины удлиняются от той поверхности, где они зародились, прямо в направлении индентора, рисунок 1. Трещины типа 2, 3 (рис. 1) изгибно-сдвиговые трещины и они мелкими импульсами прорастают (магистральная трещина состоит из сотен очень коротких трещин, которые в случае нагружения балки сосредоточенной силой, рис. 2), по линиям изохром (максимальных касательных напряжений) в нижней половине балки (там есть растяжение) и даже в верхней половине балки. Там изохромы расходятся от сосредоточенной силы (индентора) влево и вправо.
Р
/ / I \ \ N4
3 2 12 3
Рисунок 1 - Образование трещин в бетонных балках [1]. Испытание на трехточечный изгиб: четыре типа трещин. 1 - изгибная трещина; 2,3 - смешанные, изгибно-сдвиговые трещины;
4 - сдвиговые трещины.
Рисунок 2 - Напряженное состояние в зоне деформации при внедрении шара (вертикальная сила). 33D - зона затрудненной деформации - 5;
0 - КТГ (коническая трещина Герца), Ж и н -ширина и глубина деформации.
1, 2, 3 - зоны образования трещин; 4 - образование ступеней и трещин на линиях сдвига; стрелочки - направление сил сдвига.
Если нагружаем индентированием балку из гранита (плиту больших размеров), сначала будут линзовидные выколы в верхней части плиты, рисунок 3, а потом из нижней части, также линзовидные выколы через трещины типа 2 и 3 (для трещин типа 1 необходимы условия-концентраторы, дефекты и высокие растягивающие напряжения). Для сдвиговой или изгибно-сдвиговой трещины материал должен быть хрупким и процесс на сдвиг идет как расслоения в балке путем объединения коротких трещин нормального отрыва.
Рисунок 3 - Схематическое распределение изохром [2]в балке при трехточечном изгибе (а) и распределение изохром в колонне при осевом сжатии
(Ь).
Для горных объектов модели и механизмы горных ударов представляют практический интерес. Сдвиги, подъемы, сбросы, удлинении, сжатие, перемещения, срез, деформации, разрушения приводят к импульсному создания ударного давления. Затем следует разрушение опоры (подготовка удара), геомассы набирают кинетическую энергию и их торможение на новой опоре, с
излучением волн напряжений. Если новая опорная точка недостаточно прочная для остановки кинетической массы, процесс продолжается до поиска нового прочного препятствия.
Выводы
1. Давление от геоматериалов должно передаваться на 3 точки опоры.
2. При разрушении одной из них система приходит в движение вниз и начинается поиск третьей опоры, вместо разрушенной, происходит набор кинетической энергии до тех пор, пока новая опора не найдется, по ней приходится кинетический удар.
3. Генерируются ударные волны, имеющие размеры контакта при ударе, волны уходят радиально, как от ударного давления, так и от возвращения системы в равновесие. В сумме количество больших мощных импульсов около 20 и это характеристика внутреннего трения геоматериала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Rosli Noor Mohamed// Prestressed Concrete Design (SAB 4323 Design for Ultimate Strength in Shear [Электронный ресурс]. URL: http://ocw.utm.my/course/view.php?id=55 (дата обращения 12.07.2018)
2. Google Photoelasticity. (дата обращения 15.07.2018)
Tsvigun V.N.
Ph.D. in Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Metal Forming Siberian State Industrial University (Novokuznetsk, Russia)
Koinov R.S.
Lead Developer Chief Scientific Innovation Implementation Center (Novokuznetsk, Russia)
Tsvigun S.V.
CEO of RTK LCC (Moscow, Russia)
FORMATION OF LENS-SHAPED PITS DURING ROCK IMPACTS
Abstract: joint consideration of contact problems and contact mechanics helps study the initiation and growth of cracks in brittle materials comparable to silicate glass in terms offracture viscosity. The processes of shear and flexo-shear crack growth often involve the merging of short cracks in normal separation.
Keywords: lens-shaped pits, mining, rocks, rock fracture, geomaterials, pit formation.
