CC BY
23
УДК 622.02:531
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ МЕЛА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников
Рассмотрено влияние температуры на характеристики прочности (пределы прочности при сжатии, растяжении и сдвиге) образцов мела с естественными структурными связями при естественной влажности равной 14-15 %. Подготовлено и испытано более 90 образцов, которые подвергались температурному воздействию в камере тепла и холода КТХ при природном диапазоне температур (от -30 до +40 °С ±2 °С), характерных для районов разработки мела в Белгородской области. Приведены методики изготовления образцов и определения прочности при сжатии, растяжении, сдвиге и коэффициента хрупкости. Представлены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: тепловое поле, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, коэффициент хрупкости, предел прочности при сдвиге.
Физико-механические характеристики горных пород в значительной мере зависят от влияния теплового поля, но характер зависимости прочности пород от температуры неоднозначен и сложен. Положительные и отрицательные температуры по-разному влияют на изменение механических свойств горных пород и механизм их разрушения [1,2].
Имеющиеся опубликованные исследования влияния температуры на поведение горных пород в основном касаются пожаров на шахтах [3], вулканической и тектонической деятельности [4], поверхностного выветривания в результате перепада температур [5].
В большинстве предыдущих исследований сообщалось о снижении прочности пород с повышением температуры, за исключением нескольких случаев, таких как в работе [6], в которой испытывали песчаник при температурах между 20 и 300 °С. Наблюдалось увеличение прочности и механических свойств горных пород от 20 до 250 °С и их снижение при температуре выше 250 °С. Первоначальное увеличение прочности авторы объясняли высоким содержанием влаги испытуемых образцов и ее уменьшение в результате влияния температуры.
Изменение физико-механических характеристик белого писчего мела под влиянием теплового поля так же изучено недостаточно. Лишь некоторые авторы [7, 8] отмечают, что в зимний период влажный мел замерзая, резко увеличивает свою прочность и превращается в скальную горную породу. Это затрудняет его добычу и транспортировку, приводит к снижению производительности горных работ при повышенных затратах или даже к полной остановке производства. В летний период имеет место явление высушивания, которое также приводит к значительному увеличению прочности породы.
Температура окружающей среды в районах разработки мела в условиях Белгородской области изменяется от -30 °С зимой до +40 °С летом (на солнце). В период с отрицательными температурами разработка горных пород сопряжена со значительными трудностями, так как они даже применительно к Центрально-Черноземной зоне России промерзают иногда до 1,5 м. Разработка мерзлых пород требует их предварительной подготовки.
В зависимости от мощности исполнительных органов экскаваторов, применяемых на карьерах, допустимая глубина промерзания составляет до 0,5 м. На такую глубину грунт промерзает при температуре примерно -10 °С. Большинство применяемых на карьерах в настоящее время экскаваторов (как цикличных, так и непрерывного действия) обеспечивают разрушение промерзшего слоя глубиной до 0,3-0,4 м. Однако образующиеся при этом куски смерзшихся пород достигают 2 м (по максимальному размеру), что затрудняет их погрузку и транспортирование [9].
Исследование влияния теплового поля на изменение характеристик прочности мела проведено на образцах белого писчего мела с естественными структурными связями, отобранных в карьере по добыче мела месторождения «Зелёная Поляна», которое расположено на северо-восточной окраине г. Белгорода, на правом крутом склоне р. Северский Донец. В возрастном отношении мел относится к верхнему кампану.
Образцы для испытаний изготавливались ручным способом. Ориентированные глыбы (монолиты) мела распиливались на заготовки для последующего вырезания из них образцов цилиндрической формы, в соответствии с ГОСТ [10-12].
Воздействию теплового поля образцы мела подвергались при естественной влажности равной 14-15 %, при температурах: -30, -20, -10, 0, +10, +20, +30 и +40 +2 °С. Для этого использовалась камера тепла и холода КТХ, которая предназначена для получения и поддержания внутри рабочей камеры стабильной температуры от -50 до +60 °С (+2 °С).
Предварительно выполнены экспериментальные исследования на влияние времени воздействия отрицательных и положительных температур, в диапазоне от 30 минут до 4 часов, на прочность образцов мела. Установлено, что временной фактор не оказывает определяющее значение на величину предела прочности при одноосном сжатии [13]. Поэтому, при проведении экспериментов, все образцы выдерживались в камере КТХ при заданных значениях температуры в течение 30 минут.
Предел прочности при одноосном сжатии определялся в соответствии с [10] на 7-тонном ручном гидравлическом прессе ПРГ-1-70. Испы-тывались образцы высотой около 74 мм и диаметром 37 мм.
Данная характеристика прочности устанавливалась также косвенным методом ударных импульсов неразрушающего контроля в соответ-
ствии с требованиями [14]. Для этого использовался измеритель прочности ударно-импульсный ОНИКС-2.5.
Предел прочности при одноосном растяжении определялся на ПРГ-1-70 методом раскалывания цилиндрических образцов сжатием по образующим [12], который еще называют «бразильским методом» [15]. Из-за сложностей, связанных с проведением прямого одноосного испытания на растяжение на породе, этот метод является одним из самых распространенных косвенных методов [16-18]. Отношение длины образца к его диаметру примерно соответствовало 1 (высота и диаметр около 39 мм).
По формуле (1) вычислялся коэффициент хрупкости Кхр горной породы:
К хр = ^ , (1)
где ор - предел прочности при одноосном растяжении, МПа; осж - предел прочности при одноосном сжатии, МПа.
Данный физический параметр изменяется от 0 до 1 и характеризует степень участия в макроразрушении сдвиговой деформации, создающей благоприятные условия для разрыхления материала и образования трещин [19]. При Кхр = 0 имеет место идеальная хрупкость, при Кхр = 1 - идеальная пластичность.
Предел прочности при сдвиге (срезе) тсдв определялся методом од-ноплоскостного среза на сдвиговом приборе ВСВ-25М по схеме неконсолидированного быстрого среза [6], принимая условие прочности в виде (2):
т = Си, (2)
где т - касательное напряжение, при котором происходит разрушение образца, МПа; Си - сопротивление недренированному сдвигу, МПа.
При этом Си находили как среднее значение предельных касательных напряжений из трех испытаний на срез [20].
При каждом значении температуры испытано от 3 до 6 образцов. Всего указанными методами испытано более 90 образцов.
Полученные результаты испытаний представлены в таблице.
Изменение предела прочности при сжатии образцов мела от температуры аппроксимируется полиномиальной функцией второго порядка с достоверностью Я =0,96:
Д^сж = 0,094Т2 - 5,103Т +133,348, (3)
где Досж - относительное изменение предела прочности при сжатии образца, %; Т - температура, °С.
Характеристики прочности мела в зависимости от влияния
теплового поля
Температура, °С Предел прочности при сжатии, МПа Прочность ОНИКС, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Коэффициент хрупкости Предел прочности при сдвиге, МПа
-30 6,74 10,30 1,70 0,25 1,220
-20 5,81 8,10 1,39 0,24 0,973
-10 4,25 7,00 0,69 0,16 0,733
0 1,93 1,90 0,22 0,11 0,523
+10 1,55 1,60 0,21 0,14 0,489
+20 1,30 1,70 0,13 0,10 0,549
+30 1,62 1,40 0,21 0,13 0,672
+40 1,40 1,30 0,19 0,14 0,496
График зависимости приведен на рис. 1.
При температуре +20 °С прочность при одноосном сжатии составила 1,30 МПа. Отрицательные температуры приводят к образованию в породе криогенных структурных связей и резкому увеличению прочности. При температуре 0 °С прочность увеличивается на 49 %; при -10 °С - в 3 раза до 4,25 МПа, а при -30 °С - в 5 раз и составила 6,74 МПа. Следовательно, при отрицательных температурах мел в соответствии с [21] переходит из разновидности низкой прочности полускальных (3 > осж > 1 МПа) в разновидность мало прочных скальных горных пород (15 > осж > 5 МПа).
400
-40 -20 0 20 40
Температура, °С
Рис. 1. График зависимости относительных изменений предела прочности при одноосном сжатии образцов мела от температуры
Упрочнение связей между частицами породы наблюдается и при испарении из нее влаги при воздействии повышенных температур +30 и +40 °С, что приводит к увеличению предела прочности в среднем на 16 % до 1,4-1,6 МПа.
Изменение предела прочности при растяжении образцов мела бразильским методом от температуры аппроксимируется полиномиальной
2
функцией второго порядка с достоверностью Я =0,97:
Астр = 0,276Т2 -12,591Т + 180,210.
где Дор - относительное изменение предела прочности при растяжении образца, %; Т - температура, °С.
График зависимости приведен на рис. 2.
При температуре +20 °С предел прочности при одноосном растяжении составил 0,13 МПа. При температуре -30 °С прочность при растяжении возрастает в 13 раз до 1,70 МПа. При температурах выше +20 °С происходит испарение влаги из образцов, упрочнение связей между частицами породы, и, вследствие этого, увеличение предела прочности при растяжении на 40 %.
Коэффициент хрупкости мела при температуре +20 °С равен 0,10, что соответствует хрупкому характеру разрушения. При воздействии отрицательной температуры данный коэффициент увеличивается в 1,5 раза до 0,25 и для образцов характерен хрупко-пластичный характер разрушения. Влияние температур +30 и +40 °С увеличивает коэффициент хрупкости менее значительно (40 %).
Рис. 2. График зависимости относительных изменений предела прочности при растяжении образцов мела от температуры
Изменение предела прочности при сдвиге образцов мела от температуры аппроксимируется полиномиальной функцией второго порядка с достоверностью Я =0,90:
Лтсдв = 0,054Т2
2Л70Т +116,285.
(5)
где Атсдв - относительное изменение предела прочности при сдвиге образца, %; Т - температура, °С.
График зависимости приведен на рис. 3.
Рис. 3. График зависимости относительных изменений предела прочности при сдвиге образцов мела от температуры
Предел прочности при сдвиге образцов мела, так же, как и при сжатии и при растяжении, резко возрастает при воздействии отрицательных температур и изменяется от 0,5-0,67 МПа при положительных температурах, до 1,22 МПа при температуре -30 °С.
Установлена зависимость между пределом прочности при одноосном сжатии, определенном механическими испытаниями на ПРГ-1-70 и пределом прочности при сжатии методом ударных импульсов, которая ап-проксимируется линейной зависимостью с достоверностью Я =0,98:
осж = 0,5931Я +0,6085, (6)
где осж - предел прочности при одноосном сжатии образца, МПа; Я - предел прочности при сжатии, МПа, методом ударных импульсов.
График зависимости приведен на рис. 4.
Прочность образцов измеренная ОНИКС-2.5 при температурах от 0 до -30 °С изменяется от 1,9 до 10,3 МПа соответственно и близка к значениям прочности установленной методом одноосного сжатия. Но при температурах +30 и +40 °С данным методом не выявлено упрочнение образцов, по сравнению с механическими испытаниями.
Методом ударных импульсов также установлено резкое возрастание прочности при отрицательной температуре. По сравнению с прочностью при 0 °С, равной 1,9 МПа, воздействие на образец температуры -10 °С
увеличивает прочность в 3,7 раза, а при -30 °С прочность увеличивается более чем в 5 раз и составляет более 10 МПа.
Рис. 4. График зависимости изменения предела прочности при одноосном сжатии на ПРГ-1-70 от предела прочности при сжатии
методом ударных импульсов
Полученная зависимость доказывает, что данные неразрушающего контроля с использованием прибора ОНИКС-2.5 возможно применять для контроля прочности мела в полевых условиях. Это исключает необходимость изготовления образцов из монолитов, отобранных из массива.
Таким образом, изменение параметров воздействующего теплового поля приводит к значительному изменению характеристик прочности писчего мела, а именно:
- при воздействии отрицательных температур в результате образования в породе криогенных структурных связей предел прочности при сжатии увеличивается в 5 раз, предел прочности при растяжении в 13 раз, предел прочности при сдвиге в 2,5 раза;
- при воздействии положительных температур в результате процесса высушивания породы также наблюдается увеличение пределов прочности при сжатии, растяжении и сдвиге на 16 , 40 и 22 % соответственно;
- коэффициент хрупкости, характеризующий способность породы к деформациям растяжения и сдвига, прямо пропорционально увеличивается с ростом предела прочности при сжатии в 1,5 раза при отрицательных температурах и на 40 % при влиянии температур +30 и +40 °С.
Полученные зависимости позволяют прогнозировать поведение породы при воздействии естественного теплового поля в природном диапа-
зоне температур от -30 до +40 °С и учитывать динамику изменения характеристик прочности при разработке месторождений мела.
Список литературы
1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984. 359 с.
2. Зерцалов М.Г. Геомеханика. Введение в механику скальных грунтов: учебник. М.: АСВ, 2014. 352 с.
3. Smith A.G., Pells P.J.N. Impact of fires on tunnels in Hawkesbury sandstone // Tunnelling and Underground Space Technology. 2008. Vol.23, Issue 1. P. 65-74.
4. Madonia P., Cusano P., Diliberto I.S., and Cangemi, M. Thermal anomalies in fumaroles at Vulcano island (Italy) and their relationship with seismic activity // Physics and Chemistry of the Earth. 2013. Vol. 63. P. 160 -169.
5. Gomez-Heras M., Smith B.J., Fort R. Surface temperature differences between minerals in crystalline rocks: implications for granular disaggregation of granites through thermal fatigue // Geomorphology. 2006. Vol. 78, P. 236 -249.
6. Rao Qiu-hua, Wang, Zhi, Xie, Hai-feng, Xie, Q. Experimental study of mechanical properties of sandstone at high temperature // Journal of Central South University of Technology. 2007. Vol.14, Supplement 1. P. 478 - 483.
7. Вахтанова A.H., Селезнев B.H. Значение инженерно-геологических особенностей пород над рудной толщи при разработке их комплексами непрерывного действия (на примере КМА)// Инженерная геология. 1979. № 4. С.65 - 71.
8. Каппхан М. Добыча мела в зимних условиях // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 25-29.
9. Гончаров С.А. Термодинамика: учебник 2-е изд. стер. М.: МГГУ, 2002. 440 с.
10. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Введ. 2012-01-01. М.: МНТСК, 2011. 156 с.
11. ГОСТ 30416-2012 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. - Введ. 2013-07-01. М.: Стандартинформ, 2013. 15 с.
12. ГОСТ 21153.3-85 Горные породы. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1987. 11 с.
13. Ермолович Е.А., Овчинников А.В. Анализ влияния времени воздействия отрицательных температур на прочность белого писчего мела // Материалы 11-й Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические
проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 180 - 183.
14. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. М.: Госстрой СССР, 1988, 19 с.
15. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов [и др.]. М.: Недра, 1979. 269 с.
16. Cai М. Practical estimates of tensile strength and the Hoek-Brown strength parameter mi of brittle rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2010. Vol. 43. P. 167 - 184.
17. Dan D.Q., Konietzky H., Herbst M. Brazilian tensile strength tests on some anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 58. P. 1 - 7.
18. Mishra D.A., Basu A. Use of the block punch test to predict the compressive and tensile strengths of rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2012. Vol. 51. P. 119 - 127.
19. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Сопротивление материалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии. К.: Наукова думка, 1969. 209 с.
20. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ 12248-2010. М.: ООО «Прондо», 2014. 812 с.
21. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: МНТСК, 2013.
79 с.
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, доц., проф., elena. ermolovich(a),mail.ги, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Овчинников Александр Владимирович, ст. препод., ovchinnikov(a),bsu.edu.ги, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
INFLUENCE OF THERMAL FIELD ON STRENGTH
CHARACTERISTICS OF CHALK WITH THE NATURAL MOISTURE
CONTENT
E. A. Ermolovich, A. V. Ovchinnikov
The effect of temperature on the strength characteristics (compressive strength, tensile strength, shear strength) of the chalk samples with natural structural links with the natural moisture content equal to 14-15% is considered. More than 90 samples that were subjected to the effects of temperature in the chamber of heat and cold KTH at the natural temperature range (-30 to +40 ° С' ± 2°), typical for the areas of chalk development in Belgorod region are prepared and tested. Methods of sample preparation and determination of com-
pressive strength, tensile strength, shear strength, coefficient of brittleness are given. The experimental results are presented.
Key words: chalk, thermal field, compressive strength, tensile strength, coefficient of brittleness, shear strength
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, docent, professor, elena. ermolovich(ci>,mail. ru, Russia, Belgorod,Belgorod National Research University,
Ovchinnikov Aleksandr Vladimirovich, senior teacher, ovchinnikov(a),bsu. edu.ru, Russia, Belgorod,Belgorod National Research University
Reference
1. Rzhevskij V.V., Novik G.Ja. Osnovy fiziki gornyh porod: ucheb-nik dlja vuzov. 4-e izd., pererab. i dop. M.: Nedra, 1984. 359 s.
2. Zercalov M.G. Geomehanika. Vvedenie v mehaniku skal'nyh gruntov: uchebnik. M.: ASV, 2014. 352 s.
3. Smith A.G., Pells P.J.N. Impact of fires on tunnels in Hawkesbury sandstone // In Tunnelling and Underground Space Technology. 2008. Vol.23, Issue 1. R. 65 - 74.
4. Madonia P., Cusano P., Diliberto I.S., and Cangemi, M. Thermal anomalies in fu-maroles at Vulcano island (Italy) and their relationship with seismic activity // Physics and Chemistry of the Earth. 2013. Vol. 63. P. 160 - 169.
5. Gomez-Heras M., Smith B.J., Fort R. Surface temperature dif-ferences between minerals in crystalline rocks: implications for granular dis-aggregation of granites through thermal fatigue // Geomorphology. 2006. Vol. 78, P. 236 - 249.
6. Rao Qiu-hua, Wang, Zhi, Xie, Hai-feng, Xie, Q. Experimental study of mechanical properties of sandstone at high temperature // Journal of Central South University of Technology. 2007. Vol.14, Supplement 1. P. 478 - 483.
7. Vahtanova A.N., Seleznev V.N. Znachenie inzhenerno-geologicheskih osoben-nostej porod nad rudnoj tolshhi pri razrabotke ih kompleksami nepreryvnogo dejstvija (na primere KM A). Inzhenernaja geologija. M., 1979. № 4. S.65 - 71.
8. Kapphan M. Dobycha mela v zimnih uslovijah // Stroitel'nye materialy. M., 2011. № 2. S. 25 - 29.
9. Goncharov S.A. Termodinamika. Uchebnik - 2-e izd. ster. M.: MGGU, 2002. 440
10. GOST 12248-2010 Grunty. Metody laboratornogo opredelenija harakteristik prochnosti i deformiruemosti. - Vved. 2012-01-01. M.: MNTSK, 2011. 156 s.
11. GOST 30416-2012 Grunty. Laboratornye ispytanija. Obshhie polozhenija. -Vved. 2013-07-01. M.: Standartinform, 2013. 15 s.
12. GOST 21153.3-85 Gornye porody. Metody opredelenija predela prochnosti pri odnoosnom rastjazhenii. - Vved. 1987-01-01. M.: Gosudarstvennyj komitet SSSRpo standar-tam, 1987. 11 s.
13. Ermolovich E.A., Ovchinnikov A.V. Analiz vlijanija vremeni vozdejstvija otri-catel'nyh temperatur na prochnost' belogo pischego mela // Materialy 11 mezhdunar. Konf. po problemam gornoj promyshlennosti, stroitel'stva i jenergetiki «Social'no-jekonomicheskie i jekologicheskie problemy gornoj promyshlennosti, stroitel'stva i jenergetiki». Tula: TulGU, 2015. S. 180- 183.
14. GOST 22690-88. Betony. Opredelenie prochnosti mehanicheskimi metodami ne-razrushajushhego kontrolja. - Vved. 1991-01-01. -M.: Gosstroj SSSR, 1988, 19 s.
15. Prochnost' i deformiruemost' gornyh porod / Ju.M. Kartashov [i dr.]// M.: Nedra, 1979. 269 s.
16. Cai M. Practical estimates of tensile strength and the Hoek-Brown strength parameter mi of brittle rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2010. Vol. 43. P. 167 -184.
17. Dan D.Q., Konietzky H., Herbst M. Brazilian tensile strength tests on some anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 58. P. 1 -7.
18. Mishra D.A., Basu A. Use of the block punch test to predict the compressive and tensile strengths of rocks // International Journal of Rock Me-chanics and Mining Sciences.
2012. Vol. 51. P. 119-127.
19. Pisarenko G.S., Lebedev A.A. Soprotivlenie materialov de-formirovaniju i razrusheniju pri slozhnom naprjazhennom sostojanii. K.: Naukova dumka, 1969. 209 s.
20. Boldyrev G.G. Metody opredelenija mehanicheskih svojstv gruntov s kommenta-rijami k GOST 12248-2010. M.: OOO «Prondo», 2014. 812 s.
21. GOST 25100-2011. Grunty. Klassifikacija. - Vved. 2013-01-01. M.: MNTSK,
2013. 79 s.
УДК 622.02:531
ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО И ТЕПЛОВОГО ПОЛЕЙ
НА ЛИПКОСТЬ МЕЛА
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников
Рассмотрено влияние влажности и температуры на липкость мела. Исследован мел месторождения «Зеленая поляна» г. Белгорода. Определение липкости проводилось на приборе В.В. Охотина ПЛГ-Ф. Для образцов мела с естественной и нарушенной структурой установлены значения максимальной липкости и соответствующей ей влажности максимального прилипания. Установлено, что в соответствии с классификацией глинистых грунтов по липкости исследуемый мел соответствует среднеприлипаемой разновидности.
Ключевые слова: вещественное поле, тепловое поле, мел, липкость, максимальная липкость, влажность максимального прилипания, влажность начального прилипания.
Температура, влажность воздуха, атмосферные осадки определяют интенсивность выветривания горных пород, изменяют их свойства и состояние массива. Мел при увлажнении приобретает свойства глинистой породы, обладает свойством липкости и пластичности.
Липкость обусловливает проявление слёживаемости и имеет важное значение при отбойке, доставке и транспортировании горной массы. Прилипание грунтов и горных пород к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении добычных и вскрышных работ на карьерах [1-5].
