Продолжение табл. 3.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Условия |
Значения Д ,, МПа Отношение |
|||
Порода и ее показатели |
эксперимента |
|
|
расчетного |
||
|
|
экспери |
расчет |
значения |
||
|
прочности |
МПа |
°2> |
к экспе |
||
|
|
МПа |
менталь |
ное |
рименталь |
|
|
|
|
|
ное |
|
ному |
Песчаник П-0** (Донбасс): |
20 |
20 |
360 |
347 |
0,96 |
|
R |
230,0 МПа |
60 |
60 |
510 |
550 |
1,08 |
Др = |
20,8 МПа |
210 |
210 |
980 |
1020 |
1,05 |
Известняк** (Эстонсланец) : |
10 |
10 |
127 |
155 |
1,22 |
|
Ддок = 80,0 МПа |
41 |
41 |
230 |
380 |
1,65 |
|
Др = 3,8 МПа |
|
|
|
|
|
|
*Опыты Н.Дж. Прайс
**Опыты А.Н. Ставрогина
Некоторое несоответствие расчетных значений прочности с экспе риментальными, полученными А.Н. Ставрогиным связано, по-видимо му, с заниженными значениями прочности горных пород при растя жении. Прочность таких пород при растяжении должна быть близкой 0,1 предела прочности при одноосном сжатии. Соответствие расчет ных огибающих предельных кругов напряжений Мора эксперимен тальным нами подтверждалось когда прочность на растяжение опре делялась методом раскалывания пластин клиньями и рассчитывалась по формуле Лр = F/S [10].
Таким образом, вид напряженного состояния горных пород ока зывает существенное влияние на их прочность. По мере увеличения степени объемного сжатия это влияние затухает. Предельная поверх ность прочности из трехгранной пирамиды постепенно переходит в цилиндр Мизеса. Предложенное обобщенное условие прочности позволяет оценить прочность горных пород с учетом вида и степени напряженного состояния.
4. СТРУКТУРНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ ОБРАЗЦА И МАССИВА. РАЗНИЦА ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.
МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР
4.1. НЕОДНОРОДНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И УГЛЕЙ
Земная кора в результате геологического формирования оказалась сложенной комплексом самых различных горных пород. Наибольшее разнообразие горных пород наблюдается вблизи земной поверхности, где в настоящее время и сосредоточена добыча полезных ископае мых.
Процессы формирования горных пород (цикличность седимента ции, условия внедрения и остывания магмы) определили их перво начальную структуру и текстуру, а также их первичную трещинова
тость (трещины усыхания, сжатия при охлаждении и т.п.). Последую щие процессы диагенеза и метаморфизма, тектонические движения, многочисленные процессы выветривания, растворения и цементации определили петрографическую неоднородность горных пород. По своему происхождению горные породы принято разделять на осадоч ные, изверженные и метаморфические.
Угли сформировались в процессе накопления, разложения и даль нейшего преобразования (гелификации, фюзенизации, элювиации, метаморфизма) исходного растительного и другого органического материала. Вместе с тем все угли состоят из сравнительно немного численных микроскопических органических и неорганических ком по нентов. Видимые невооруженным глазом составные части углей (ингредиенты) представляют собой различные комбинации этих микрокомпонентов. В настоящее время выделяют два простых ингре диента — витрен (стеклянный) и фюзен (вытянутый) и два слож ны х— дюрен (твердый) и кларен (светлый).
В зависимости от преобладающего ингредиента угли разделяют на пять типов: клареновые, дюрено-клареновые, кларено-дюреновые, дюреновые и фюзено-ксиленовые. В каждом типе имеются однород ные и неоднородные (полосчатые или комплексно-полосчатые) ком поненты.
Эти петрографические составные части углей характеризуются различным удельнымвесом и крепостью. Наибольшей крепостью обладает дюрен, далее следует кларен, витрен и фюзен. Наиболее рез кое различие в механических свойствах ингредиентов наблюдается на низших стадиях метаморфизма. Процесс углефикации ведет к сбли жению их механических свойств. Кларен и основная масса становятся неразличимыми. В антрацитах различие в твердости составных частей угля в значительной степени стирается.
4.2. ТРЕЩИНОВАТОСТЬ МАССИВА И ОБРАЗЦОВ РАЗЛИЧНОГО РАЗМЕРА
Важной характеристикой горных пород является и их дефектность (дефекты кристаллической решетки минералов, микро- и макротрещины кристаллов, зерен и пород, пористость, крупные тектониче ские нарушения). Изменяясь во времени, эти дефекты влияют на ме ханические свойства пород, а в ряде случаев полностью изменяют их признаки и название.
Рассматривая горные породы в различных объемах (от м икроско пических до крупных блоков, целиков и больших массивов), нетруд но заметить, что чем больший объем пород мы изучаем, тем большего размера дефекты в нем содержатся.
Э то о соб ен н о х о р о ш о зам етн о на угл я х, к о т о р ы е , К р ом е с т р у к ту р н ы х и тек сту р н ы х д еф ек тов , содерж ат значительное чи сл о трещ и н .
Н.П. Аммосов и Н.В. Еремин все эндогенные трещины угля по своей протяженности делят на четыре группы:
I — пересекающие пласт на всю мощность;
Таблица 4.1. Расстояниё (см) между эндогенными трещинами в каменных углях различных марок и категорий по Н.П. Аммосову и Н.В. Еремину
|
|
Категории углей |
|
|
|
блестящие |
неяснопо |
полублестящие полос |
|
Марки углей |
лосчатые |
|
чатые |
|
|
Группы трещин |
|
||
|
|
|
||
|
II |
III |
II |
III |
Длиннопламенные |
5 -1 5 |
1,5-6,0 |
— |
— |
|
|
|
||
Газовые |
4 -1 5 |
0,5-4,0 |
10 -20 |
1,5-Ю |
Жирные |
8 -1 5 |
0,2 -0,3 |
7 -1 5 |
1 -4 |
Коксовые |
— |
— |
5—20 |
1,5-10 |
Продолжение табл. 4.1 |
|
|
|
|
|
|
Категории углей |
|
|
|
полуматовые полосча |
однородные матовые и |
||
|
тые |
полуматовые, полумато |
||
Маркиуглей |
|
|
вые штриховатые |
|
|
|
Группы трещин |
|
|
|
II |
III |
и |
III |
Длиннопламенные |
— |
|
— |
— |
Газовые |
1 5 -30 |
2 -1 0 |
10 -30 |
5—20 |
Жирные |
— |
— |
8—15 |
8 -1 5 |
Коксовые |
6 -1 5 |
1,5-5,0 |
15 -20 |
15 -20 |
II — пересекающие отдельные пачки угля;
III — пересекающие отдельные петрографические разновидности угля внутри угольной пачки;
IV — локализованные внутри прослоев и линз витрена и витренитового угля.
В пластах простого строения трещины I группы одновременно являются и трещинами II группы. В пластах сложного строения тре щины Ï группы располагаются довольно редко. Расстояние между трещинами IV группы зависит от степени углефикации и петрографи ческого состава углей. Наибольшее распространение имеют трещины II и III групп (табл. 4.1). Ряд исследователей отмечает обратную связь между зиянием (раскрытием) трещин и их частостью: при меньшей частоте трещины имеют большее зияние.
Небольшие объемы породы (образцы), как правило, содержат лишь микротрещины; образцы побольше могут дополнительно иметь трещины IV группы (малой протяженности и с небольшим зиянием) ; еще ббльшие образцы содержат трещины III группы (большей протя женности и с большим зиянием). Образцы, высота которых равна мощности пласта, подобны целикам и будут содержать трещины всех групп.
Следовательно, образцы, блоки и массивы различного размера
не являются подобными по своей структуре, поэтому их механиче ские свойства (деформируемость, прочность и др.) не будут одина ковыми.
Массивы и образцы горных пород различного размера, не являясь подобными по своей структуре, не будут подобными и по газоили водонасыщенности. Удельная газо- и водонасыщенность крупных бло ков и массива будет выше, чем небольших образцов.
Повышенное содержание влаги в породах в свою очередь приво дит к значительной разнице в механических свойствах образцов и массива.
Большинство скальных горных пород сформировалось на боль шой глубине при высоких температурах и давлениях. По мере подня тия к земной поверхности и эрозионного удаления вышележащих по род величина горного давления на породы и их температура уменьша лись. При отделении от массива происходит дополнительная разгруз ка пород, которая сопровождается увеличением их объема. При этом приповерхностный слой породы в блоках растягивается. Так как с увеличением размеров блоков (образцов) отношение объема блока к его поверхности увеличивается, то породы в блоках различного раз мера будут разгружаться в разной степени. У крупных блоков при поверхностный слой породы испытывает большие растягивающие напряжения, чем у мелких образцов. Для весьма больших блоков эти напряжения могут достигать предельных значений, и порода будет растрескиваться.
Параллельно с разгрузкой пород от горного давления при удале нии вышележащих пород эрозией происходит их охлаждение с умень шением объема. В этом случае породы приповерхностного слоя бло ков должны сжиматься. Внутри остывающего блока возникают рас тягивающие напряжения. Шестигранная отдельность в интрузивных породах свидетельствует о том, что и эти напряжения могут дости гать предельных значений. Напряжения, вызванные охлаждением по род, могут превышать напряжения, возникшие в результате разгруз ки или наоборот. И в том, и в другом случаях остаточное напряжен ное состояние пород в блоках и в образцах различного размера, извлеченных из массива, неодинаковое.
Так как горные породы в массиве разбиты трещинами, то их эле ментарные блоки (отдельности) различного размера будут напряже ны по-разному. При этом величины напряжений (а в некоторых усло виях и их знак) в центральной и краевой частях элементарных бло ков могут быть существенно разными. Вследствие неоднородности составных частей блока (ингредиентов, зерен, кристаллов) по м оду лю упругости и коэффициенту расширения картина напряженного состояния элементарного блока выглядит достаточно сложной. Ана логично можно рассматривать отдельные кристаллы и зерна с их микротрещиноватостью и дефектами кристаллической решетки, что еще более усугубит сложность напряженного состояния.
Таким образом, горные породы в различных объемах, независи мо от того, отделены или не отделены от земной коры, не являются
подобными по дефектности, напряженности, газо- и водонасьпценности и другим параметрам, что приводит к различию их механиче ских, акустических, фильтрационных, электрических и многих дру гих свойств.
4.3. ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
При определении механических свойств горных пород в образцах правильной геометрической формы (кубы, цилиндры, призмы) большое значение имеют отклонения реальных рабочих поверхнос тей образцов горных пород от идеальной плоскости. Опыты, выпол ненные Б.П. Беликовым, Б.В. Залесским, М.И. Койфманом и С.Е. Чирковым, показали, что при точной обработке получаются бо лее правильные численные значения показателей прочности. В зави симости от качества обработки образцов разница в показателях лабораторных испытаний достигает 30—50 %.
Микропрофилограммы контактных поверхностей образцов мраморизованного известняка, габбро, гранита, кварцита, песчаника и скарна показали, что контактные поверхности, формально плоские, в действительности имеют определенную выпуклость. Это объясняет ся тем, что при шлифовании, особенно вручную, образец горной породы истирается обычно больше по краям, чем в середине. С умень шением размера шлифуемого образца кривизна контактных поверх ностей увеличивается. При испытаниях таких образцов возникает неравномерное распределение нагрузки по торцам. Концентрация разрушающих напряжений на выпуклых участках приводит к иска жению результатов, а определяемая прочность в образцах меньшего размера при обычно применяемой технологии подготовки будет за ниженной.
При одноосном сжатии образцов трудно избежать эксцентрично сти разрушающих нагрузок, так как тщательность прилегания плит пресса к торцам образцов обычно устанавливается ”на глаз” . Шаро вая поверхность пят большинства прессов представляет собой сферу большого радиуса и не обеспечивает тщательного прилегания образ цов при их сжатии, особенно маленьких. В результате неравномерно го распределения нагрузки на .торец одна сторона образца деформиру ется более интенсивно, чем другая.
Специальными исследованиями установлено, что при испытаниях прочности одноосным сжатием образцы всегда разрушаются с неко торым эксцентриситетом е, среднее относительное значение которого (е/r) составляет 0,064.
Влияние радиуса сферической опоры пят пресса на величину экс центриситета изучено на образцах диаметром 30, 42 и 57 мм при пяти опорах пресса с различным радиусом сфер (приложение 1). На каж дой опоре разрушали по четыре образца каждого диаметра.
Установлено, что при одноосном сжатии распределение напряже ний по сечению образца всегда эксцентрично. В образцах меньшего размера при прочих равных условиях наблюдается больший эксцент