Методы определения свойств горных пород

      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.

      Обычно  параметры ползучести горных пород  определяют в два этапа. На первом этапе устанавливают пределы  прочности и общий характер деформирования испытываемых образцов. С целью экономии времени испытания на этом этапе  ведут в режиме последовательного  ступенчатого нагружения серии из 4-5 образцов равными нагрузками, причем ступень нагружения составляет около 20 % от разрушающей нагрузки.

      На  втором этапе устанавливают характер развития реологических процессов  и определяют собственно параметры  ползучести образцов пород во всем диапазоне изменения нагрузок, вплоть до разрушающих. На этом этапе каждый образец испытываемой серии нагружают  определенной нагрузкой (20; 40; 60 или 80 % разрушающей) и измеряют деформации образца во времени до момента  стабилизации процесса ползучести, либо до момента разрушения образца.

      Реологические испытания отличаются, прежде всего, своей длительностью и непрерывностью. Обычно их проводят в течение нескольких тысяч часов (нескольких, а иногда и многих месяцев). Это накладывает  жесткие требования к надежности и стабильности работы нагружающих  устройств и регистрирующей аппаратуры.

      Наиболее  часто в качестве нагружающих  устройств применяют механические и пружинные прессы либо нагружение осуществляют фиксированными грузами (гирями).  

6.2.7. Методы испытаний  пород в условиях  объёмного напряжённого  состояния.

      Горные  породы в массиве, в условиях естественного  залегания, находятся в объемном напряженном состоянии. Поэтому  для наиболее полного изучения их механических свойств проводят испытания  на специальных лабораторных установках. Наиболее известны установки типа Т. Кармана, в которых усилием пресса создают вертикальное давление на образец, а боковое давление по периметру  образца создают гидравлическим путем с помощью гидромультипликатора (рис. 6.13, а). Подобные установки, называемые стабилометрами, позволяют создавать  в испытываемом образце напряженные  состояния, характеризуемые следующим  соотношением главных нормальных напряжений:

      s₁ > s₂ = s₃                                                                                 (6.3)

      Рис. 6.13. Испытание образцов пород в  объемном напряженном состоянии.

а - схема  установки типа Т. Кармана; б - конструкция  стабилометра КП-3 (ВНИМИ).

1 - корпус; 2 - образец породы; 3 - плунжер осевого  сжатия; 4 - плунжер гидромультиплика-тора; 5 - штуцер боковой нагрузки; 6-манометры  для определения осевой и боковой  нагрузок; 7 - шаровые шарниры; 8 - поршень  осевого сжатия; 9 - штуцер осевой  нагрузки; 10 - насос; 11 - редукторы.  

      На  рис. 6.13, б приведена схема конструкции  одного из стабилометров. Нагрузки на образец осуществляются всесторонним сжатием до заданных пределов и последующим  приложением возрастающей осевой сжимающей  нагрузки при неизменном значении боковой.

      Подвергая образец породы одновременно с механическим нагружением нагреву с помощью  специальных устройств, монтируемых  в стабилометр, можно определять механические свойства пород при  высоких всесторонних давлениях  и температурах, моделируя тем  самым условия нахождения пород  на больших глубинах.

      В условиях всестороннего сжатия в  горных породах проявляется эффект изменения упругих, пластических и  прочностных свойств. В пределах нескольких процентов возрастают значения модуля продольной упругости Е и  модуля сдвига G. Несколько возрастает также коэффициент поперечных деформаций v. Значительно возрастают показатели пластических свойств пород. Прочностные свойства растут весьма существенно, причем относительное увеличение пределов прочности на сжатие и на срез больше для менее прочных пород.  

6.3. Определение свойств  горных пород с  учётом

структурных неоднородностей  низких порядков.

      Испытания пород с учётом низких порядков структурных  неоднородностей традиционно относили всегда к испытаниям в натурных условиях массивов горных пород или их ещё  иногда называли испытаниями в местах естественного залегания пород (in situ). Однако это не полностью соответствует современным представлениям и методам проведения испытаний и определения характеристик рассматриваемых неоднородностей, поскольку сами понятия “образец” и “массив” теперь утрачивают первоначальный смысл.

      Определение свойств пород с учётом структурных  неоднородностей низких порядков представляет собой весьма сложную задачу, поскольку  обычный путь испытаний представительных объёмов пород здесь становится крайне трудоёмким и зачастую мало реальным. Причём это определяется не только техническими или организационными трудностями постановки экспериментов, но и особенностями проявления свойств  массива пород при тех или  иных воздействиях. Практически только свойства, подчиняющиеся схеме “независимости - аддитивности” могут быть корректно  определены на соответственно выбранных  экспериментальных участках. Другие свойства требуют специальных подходов, совмещающих экспериментальные  методы с расчётными.