Методы определения свойств горных пород (стр. 3 из 8)

Если при испытаниях применять силовые устройства, не способные накапливать упругую энергию или исключающие ее передачу образцу после начала разрушения, то деформирование горных пород за пределом прочности будет происходить достаточно спокойно и может быть зафиксировано в виде ниспадающей ветви. Вполне естественно, что параметры ниспадающей ветви кривой деформирования в весьма существенной степени определяются деформационными характеристиками испытательного оборудования.

Деформационные характеристики силового оборудования - испытательных машин, прессов, нагрузочных приспособлений и установок - оцениваются показателем жесткости, представляющим собой отношение усилия, развиваемого оборудованием, к абсолютным деформациям, возникающим в нем. Обычные испытательные машины и прессы имеют жесткость в пределах (0,05 - 0,1) 10⁵ кгс/см.

В настоящее время разработаны многочисленные конструкции специальных компенсаторов, позволяющих увеличивать жесткость обычных испытательных машин до (1,5 - 2,5) 10⁶ кгс/см. Вместе с тем предложены и принципиально отличающиеся конструкции специальных прессов с весьма высокой степенью жесткости, позволяющие испытывать широкий круг пород в том числе и весьма хрупких. Одна из таких конструкций с жесткостью 2^.10⁷ кгс/см (автор - профессор А.Н. Ставрогин) приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Схема жесткого пресса.

А - плунжерный насос; Б, Г - самотормозящиеся клиновые пары; В - гидродомкрат.

1 - винт для возвращения клиновой пары Б в исходное положение; 2 - нутромер; 3 - испытываемый образец; 4 - экстензометр; 5 - жесткая рама; 6 - регулировочный винт; 7 - корпус; 8 - груз.

При проведении испытаний образцы практически любых пород (вплоть до самых хрупких) деформируются без динамических явлений, спокойно, при этом, как правило, образец после испытаний сохраняет свою форму, хотя и не способен нести внешнюю нагрузку.

На рис. 6.10 представлены типичные кривые деформирования разнообразных пород, из которых следует, что остаточная прочность исследованных пород составляет не более 5% от максимальной, модули деформирования для различных ветвей кривой противоположны по знаку, причем крутизна спада всех кривых, характеризуемых модулями спада М, за исключением мрамора, превосходит модуль деформирования для восходящих ветвей деформационных кривых.

Рис.6.10. Полные кривые деформирования образцов горных пород.

1 мрамор; 2 - гранит биотитовый; 3 - плагио-гранит биотитовый; 4 - песчаник; 5 диабаз; 6 - тальк-хлорит.

6.2.5. Методы испытаний пород при динамических нагрузках.

В реальных условиях горные породы подвергаются воздействию различных нагрузок, при этом режимы нагружения могут быть самыми разнообразными - от статического до импульсного.

В принципе любые процессы нагружения являются динамическими, так как протекают в реальном времени, однако степень их динамичности различна, и в зависимости от того, насколько велик вклад сил инерции в общем балансе сил, действующих на образец или деформирующийся объем, тот или иной режим нагружения относят к категории статических или динамических.

В настоящее время не существует общепринятого критерия динамичности процесса, хотя были предложены различные классификации режимов нагружений.

По-видимому, наиболее общей характеристикой режима нагружения является скорость относительной деформации, поскольку эта характеристика определяет процесс деформирования в каждой точке деформируемого объема независимо от способа нагружения.

Различные технологические процессы в массивах горных пород можно соотнести с определенными скоростями деформации. Так, скорость деформации пород

·в выработках при длительных статических нагрузках составляет V_e = 10^-12 - 10^-10 с^-1 и менее (реологические процессы);

·при статическом режиме испытаний образцов горных пород со стандартной скоростью нагружения V_e = 10^-3 c^-1;

·при внезапных обрушениях пород кровли V_e = (10^-3 - 10¹) c^-1;

·при взрывах V_e = (10¹ - 10⁵) c^-1.

В соответствии с этим к статическому способу нагружения могут быть отнесены скорости деформации V_e <10^-3 с^-1; при скоростях деформирования 10^-3 < V_e <10² процесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования V_e >10² с^-1 характеризуют динамические режимы нагружения.

Для изучения закономерностей изменения деформационно - прочностных характеристик с увеличением скорости приложения нагрузок и возрастанием скорости деформирования пород наиболее рациональным является применение таких методов испытаний, которые без существенных изменений позволили бы в широком диапазоне изменять скорость деформирования пород от статических до динамических режимов приложения нагрузок.

С этой точки зрения к настоящему времени наиболее разработана методика, основанная на принципе разрезного (составного) стержня Гопкинсона. Она позволяет определять деформационно-прочностные характеристики горных пород при одноосном сжатии и растяжении (рис. 6.11).

Для автоматической регистрации усилий и деформаций на упругие элементы стержней-динамометров и боковую (или торцовую) поверхность образцов наклеивают тензодатчики, сигналы от которых фиксируются обычно светолучевыми осциллографами.

Рис. 6.11. Схема испытаний горных пород при динамическом сжатии (а) и динамическом растяжении (б).

1 - боек; 2, 3 - входной и выходной стержни-динамо-метры: 4 - образец горной породы; 5 - тензодатчики для регистрации деформаций в стержнях-динамометрах; 6 - тензодатчики для регистрации деформаций в образце.

В зависимости от применяемых нагрузочных устройств испытания проводятся в различных режимах приложения нагрузок. В диапазоне статических скоростей (V_e <10^-3 с^-1) образец нагружается стационарной универсальной испытательной машиной (прессом) с усилием, необходимым для разрушения испытуемой породы. В диапазоне динамических скоростей деформаций применяют ударный способ нагружения с помощью вертикальных или горизонтальных механических или пневматических копров, пороховых или пневматических пушек, устройств взрывного типа, электрогидравлического удара и др.

Значение среднего напряжения s_сж(t) в образце при сжатии определяется как полусумма напряжений, возникающих на контактных поверхностях образца и стержней. Максимальное значениеs_сж(t), зарегистрированное при разрушении образца, принимается в качестве его предела прочности при сжатии. Максимальное значение s_р(t) считают пределом прочности горной породы на растяжение.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Зави-симости прочностных (1) и деформационных (2) харак-теристик пород от скорости деформирования.

a - [s_сж] и Е_сж; б - [s_р] и Е_p.

Однако для прочностных характеристик, в отличие от деформационных (модуля упругости Е), изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования V_e = (10^-2- 10⁰) с^-1 коэффициент динамичности K = s^Д/s^СТ, характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4-1,2, а далее резко возрастает до 6-8. Значения коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0,2 - 0,4 до К = 1,6- 1,8.

6.2.6. Методы определения реологических параметров.

Как отмечалось выше, реологические свойства горных пород описывают обычно на основе теории линейных наследственных сред с использованием в качестве функции ползучести степенной зависимости.

Для такого описания необходимо экспериментально определить значения параметров ползучести a_п и d. Эти параметры определяют в лабораторных условиях при простейших напряженных состояниях испытываемых образцов - поперечном изгибе или одноосном сжатии.

В режиме поперечного изгиба испытания ведут, как правило, на образцах-балочках, размещая их на двух опорах и нагружая сосредоточенной нагрузкой в середине пролета. Для испытаний в условиях одноосного сжатия образцы, как обычно, изготавливают в виде призм или цилиндров.

При испытаниях по схеме поперечного изгиба в условиях неизменной нагрузки в течение значительного промежутка времени (многих месяцев) фиксируют изменения прогиба образцов-балочек. При испытаниях образцов в условиях одноосного сжатия измеряют продольные деформации образцов.

Результаты определения параметров a_П и d обоими способами удовлетворительно согласуются между собой.