Периодический характер деформирования образцов сильно сжатых горных пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

----------------------------------- © В.В. Макаров, Л.С. Кссндзснко,

А.А. Опанасюк, В.В. Гнитиснко, 2008

УДК 62-75

В.В. Макаров, Л.С. Ксендзенко, А.А. Опанасюк,

В.В. Гнитиенко

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ СИЛЬНО СЖАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 4

Исследование закономерностей деформирования образцов горных пород в предразру-шающей стадии нагружения [3] при Р>Р0 (Р0 - критическая нагрузка, за которую может быть принят порог дилатансии) показало, что деформирование образца зачастую носит реверсивный характер, заключающийся в изменении знаков приращения продольных и поперечных деформаций на локальных участках измерения (рис. 1).

Дальнейшие исследования [4], проведенные в лаборатории Цзилиньского университета (КНР) показали, что:

1) аномальный характер деформирования имеет место только на образцах, где отмечаются дилатанси-онные эффекты;

2) деформирование образцов, как по высоте, так и по периметру носит периодический характер, заключающийся в чередовании участков, где имеют место деформационные аномалии, и участков, где одновременно происходит деформирование обычного характера с существенным (аномальным) превышением характерного для данной породы уровнем (рис. 2).

В известной литературе реверсивные деформационные аномалии связываются с упругим восстановлением материала около трещины отрыва (гипотеза упругого восстановления) [5, 6].

Для проверки гипотезы проведена серия экспериментов, анализ которых позволил сделать следующие выводы [7]:

а) установлено, что в горной породе при одноосном сжатии в направлении, перпендикулярном оси образца действуют растягивающие напряжения. Величина их очень незначительна.

б) характер реакции нагруженного образца на образование трещины при таких напряжениях действительно напоминает деформационную аномалию (рис. 1), однако релаксационные процессы быстро нивелируют указанный эффект.

Данные выводы ставят под сомнение правомерность гипотезы упругого восстановления. Однако для ее проверки допустим, что гипотеза верна, горная порода очень хрупка и релаксационные процессы весьма незначительные. Трещина отрыва при одноосном сжатии образца должна распространяться в направлении его оси. В этом случае для того, чтобы обеспечить величину продольной аномалии (рис. 2), поперечная деформационная аномалия должна иметь величину, указанную штриховой линией. То есть «упругое восстановление» должно приводить к сжатию образца в окружном направлении, что физически невозможно.

и

си

1 (. I шрс ЯН' 1

СТ, МП* — — — -60

\ 40 1

2 \ 20

1>ры

1.0 - „ < 03

е,х10

1,0

2,0

3,0

£,Х10

а) б)

Рис. 1. Реверсивный характер деформирования образцов гранита в предразру-шаюшей области нагружения при сжатии: а) - схема эксперимента; б) - характер деформаций. Штриховая линия показывает величину деформаций, соответствующую гипотезе «упругого восстановления»

МПа 30

20

ю Лг ★ - датчики • - датчики ■ - датчики 2,8 5,7 3,9

-з 1 С| Х10 ♦ - датчики ___ -3 £ц хЮ 4,6

1.0 О 1,0 2,0 3.0

Рис. 2. Чередование положительные и отрицательных деформационных аномалий по периметру образца: а) - схема эксперимента; б) - характер деформаций

Таким образом, гипотеза упругого восстановления деформаций около образующейся в образце горных пород при сжатии трещины, как причина деформационного реверса, должна быть отвергнута.

Теоретические исследования закономерностей деформирования образцов сильно сжатых горных пород проводим с использованием модели среды с самоуравновешенными на-

пряжениями [2]. Образец горной породы в сильно сжатом состоянии моделируется в рамках калибровочного подхода дефектной средой, где перераспределение напряжений определяется полем взаимодействующих ме-зотрещин, возникающих при сжатии на границах минеральных зерен [7].

Распределение деформационных аномалий в сильно сжатом образце определяется по формулам:

^гг.МПа

10 \

-5 54 к ъ 54

-10

а)

Е

б)

Е =

х10-:

1 (0.19еоз ф + 0.257еоз2ф + 21 ■+0.512соэ4ф + 0.56зіп ф

соэ — - 0.0395 • 105

Е 1 ґ-0.168соБ ф-1.675 сов2ф-

^ 2 ^-0.595 сое 4ф - 0.025 БЇпф

х10-3 сое — + 0.152 • 10-3.

5

Рис. 3. Периодический осци/тя-циоииый характер деформирования образцов горных пород: а) по

высоте образца; б) по перимет-

ру образца в центральной части

На рис. 3, а показано распределение деформаций по высоте образца. Хорошо видно, что эти деформации носят периодический характер при Р>Ро■ Так же периодический характер носит распределение деформаций по периметру образца (рис. 3, б).

Сравнивая значения продольных и поперечных деформаций, полученных экспериментальным путем с соответствующими теоретическими значениями, находим, что относительные погрешности 8Ф и дг соответственно равны: д9 ~ 43 % , ё2 ~ 16 %. Результаты теоретических и экспериментальных исследований объемных деформаций показаны на рис. 4. Хорошо видно полное качественное и удовлетворительное количественное совпадение теоретических и экспериментальных результатов.

В результате проведенных исследований:

1) был установлен механизм формирования периодической мезотрешинной структуры образцов горных пород в предраз-рушающей области нагружения, заключающийся в том, что в условиях сильного неравнокомпонентного сжатия и обусловленного этим мезосдви-говым разрушением на неоднородностях среды, напряжения в образце приобретают осцилляционный периодический характер, что имеет следствием развитие на локальных участках действия максимальных нормальных осевых и тангенциальных напряжений очагов концентрации

взаимодействующих мезодефектов, а в окрестности очагов - образование относительно разгруженных участков, где деформации приобретают реверсивный характер;

2) разработан метод прогнозирования разрушения образца горных

Рис. 4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований

пород, основанный на деформационных предвестниках разрушения, отличающийся тем, что долгосрочный предвестник совпадает с порогом дилатан-сии породы при сжатии, среднесрочный предвестник соответствует формированию в образце периодической мезотрещинной структуры, а краткосрочный предвестник соответствует моменту перераспределения деформационных аномалий образца, что обусловлено началом развития в нем макроразрыва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Опанасюк А.А. Периодический ос-цилляционный характер деформирования образцов сильно сжатых горных пород.// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. науч. трудов. - Донецк: «Норд-Пресс», Вып. № 12, 2006, С. 79 - 80.

2. Гузев М.А., Макаров В.В., Ушаков А.А. Моделирование упругого поведения сжатых горных образцов в предразрушающей области.// ФТПРПИ. №6, 2006. С. 3-13.

3. Макаров В.В., Гузев М.А., Опанасюк А.А. Исследование деформационных предвестников разрушения образцов горных пород и их математическое моделирование// «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Труды второй междун. научной конференции, Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006, С.58-61.

4. Research of deformational Rocks Failure Precursors// V.Makarov, A. Opanasjuk,

D,Cheburov a^ Ma Ry/ First tat, Symp, Оп Tre^s & Forecast Soc, Dev, Asia-Pacific Re-дюп, Nov,25-26,2003, Vladivostok, Russia,-Pacific Scie^e Review, Special Issue: FESTU-KNU,2003, pp^^,

5, Osamu Idehara, Tokashi Satoh, Osamu Nishizawa, Kinichiro Kusunose. Hypocerters distribute a^ focal mecharnsms of AE everts u^er triaxial compression Experimert:al apparatus a^ hypocert:er distribute// Journal Seismology, Soc, Japa^ 19В6, v,39, №2, pp, 2В9-300,

6, Тажибаев К. Т. Условия динамического разрушения горных пород и причины горных ударов, - Фрунзе, Илим, 19В9, - 1В0 с,

7, Макаров B.B., Николайчук H.A., Bo-ронцова H.A. Деформирование и разрушение горных пород в предельном и запредельном состояниях, Владивосток: Изд-во ДВГТУ,2003. - 142 с. ЕШ

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------

Макаров В.В., Ксендзенко Л.С., Опанасюк А.А., Гнитиенко В.В. - ДВГТУ.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.