Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

Рис. 1.3. Развитие во времени t деформаций прогиба ДА при изгибе образцов аргиллита в воздушно-сухом состоянии (1) и при адсорб­ ции воды в зоне растяжения (2)

действии внешних сил. Экспериментальные исследования осадочных, метаморфических и магматических пород показали, что в статиче­ ских условиях нагружения характеристики прочности преобладающе­ го большинства пород, включая породы повышенной плотности и крепости, под действием воды в большей или меньшей степени умень­ шаются. Для одних пород прочность снижается в 1,5—6 раза (иногда до полной потери связности), для других — только на несколько про­ центов. Аналогично изменяется при пропитке водой и твердость по­ род при статическом вдавливании. С уменьшением прочности и твер­ дости сильнее проявляются пластические свойства пород, уменьша­ ются статические модули упругости.

В динамических условиях нагружения наблюдаются противопо­ ложные изменения (работы Б.С. Ватолина, М.П. Воларовича). Экспе­ риментально установлено, что одновременное воздействие механиче­ ских напряжений и адсорбции воды, проникающей в трещины и поры, ведет к значительному (в несколько раз) возрастанию упругих, остаточных и длительных деформаций пород (рис. 1.3). В числе угле­ вмещающих пород имеются разновидности аргиллитов и алевроли­ тов, которые сильно размокают, почти полностью теряют связность или расслаиваются в воде, хотя предел их прочности при одноосном сжатии, перпендикулярном к слоистости, в воздушно-сухом состоя­ нии достигает иногда 40—60 МПа. В то же время некоторые извест­ няки, обладающие гораздо меньшей прочностью (около 6—10 МПа), обладают сравнительно высокой гидростойкостью.

Степень изменения механических свойств пород под влиянием воды зависит от многих факторов :

пористости (содержания и формы пор различной величины) ; текстурно-структурных особенностей самих пород (прежде все-

го от анизотропии, слоистости и развития ослаблении по контактам), а также от их трещиноватости;

вещественного (в основном минерального) состава, в значитель­ ной мере от содержания в породе гидрофильных, прежде всего гли­ нистых минералов, сильно реагирующих на увлажнение, тонкодис­ персного углистого вещества;

от продолжительности, условий и глубины насыщения.

Кинетика водного ослабления тесно связана с кинетикой насыще­ ния' пород водой. С изложенным согласуются результаты опытов, показавшие набухание пород при увлажнении и обратное их уплотне­ ние при обезвоживании не только слабых пористых, но и существен­ но плотных монолитных пород. Линейные размеры образцов различ­ ных пород возрастали при набухании в воде на 0,010—0,012 %. Набу­ хание и обратное уплотнение пород могут вызывать дополнительные напряжения в массиве.

Экспериментальными исследованиями установлено увеличение ударной прочности и ударной твердости некоторых пород при насы­ щении водой [6]. Это явление не согласуется с представлением толь­ ко о расклинивающем и ослабляющем действии адсорбционных сло­ ев воды и растворенных в ней, преимущественно поверхностно-актив­ ных веществ (эффект Дерягина—Ребиндера). Правомерность данно­ го явления подтверждают результаты измерений динамической проч­ ности (энергетических характеристик дробимости) углей в насыщен­ ном водой состоянии, которые проведены в институтах ВостНИИ (О.И. Чернов), ВНИМИ (И.М. Петухов, А.Г. Акиньшин и др.), лабо­ ратории внезапных выбросов ИГД им. А.А. Скочинского (Б.М. Ива­ нов, Г.Н. Фейт, А.А. Борисенко) и УкрНИИпроекте (Н.И. Куваев, Д.В. Панченко).

Таким образом, при статическом деформировании и разрушении пород и углей всегда преобладает эффект ослабления внутренних свя­ зей, а при динамическом нагружении в зависимости от вещественного состава, структуры, физико-химических свойств пород, à также усло­ вий действия внешних сил в одних случаях преобладает эффект гидроослабления, в других, наоборот, гидроупрочнения.

2. ХРУПКО-ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ

Пластичность и хрупкость пород определяют преимущественно по диаграммам "напряжение-деформация” одноосного сжатия образцов или статического вдавливания инденторов в плоскую (обработанную или необработанную) поверхность (рис. 2.1).

Диаграммы а—е могут условно охарактеризовать коэффициенты хрупкости kxp и пластичности km . Площадь диаграммы 5 о м сд отра­ жает полную работу разрушения A QQ. Точка М является условным пределом упругости. Работа упругих деформация А уп складывается из работы чисто упругого деформирования (площадь и той

части работы, которая соответ­ ствует работе упрочнения, т.е. накопления дополнительной уп­ ругой энергии до разрушения

ствует значение деформаций на отрезке ОА, наблюдается при деформировании пористых гор­ ных пород. За меру хрупкости принимается отношение kxp = = ЛуП/Л0б, а коэффициент плас­ тичности будет характеризовать­ ся величиной knn = (Л0б —

— -<4уп)/Лоб-

Л.А. Шрейнер детально раз­ работал способ определения пластичности пород при вдавли­ вании пуансона (цилиндриче­ ского или в виде усеченного конуса), выполненного из стали или твердого сплава.

Пластичность определяется по графику в координатах F и

Д h . За меру пластичности km принимается отношение полной рабо­ ты, затраченной до момента разрушения под пуансоном Л0Q (SOM CD )> к полной работе упругих деформаций с учетом упрочнения Луп (SA B E )> т.е. коэффициент пластичности &пл = Л0б/Луп Для пластичных или пластично-хрупких горных пород превышает единицу. Для вы соко­ пластичных пород, не дающих хрупкого разрушения при вдавлива­ нии, расчет коэффициента пластичности производят по площадям диаграммы, соответствующим общей работе внедрения пуансона на глубину, равную его диаметру, и работе упругих деформаций.

По ГОСТ 24941—81 при испытании механических свойств горных пород нагружением образцов соосными сферическими инденторами (Г.В. Михеев) определяют условную категорию пластичности по балльной шкале ” 5—0” в зависимости от среднего значения статиче­ ского контактного модуля остаточной деформации.

В последнее время для оценки склонности пород к хрупкому раз­ рушению пользуются ’’запредельными характеристиками” , наблюдае­ мыми после достижения предела прочности (Б.В. Матвеев, Ю.М. Кар­ ташов и др.), угли делят на хрупкие и вязкие по энергоемкости их разрушения горными машинами (А.И. Берон, Е.З. Позин, Б.М. Лей­ бов, В.З. Меламед, С.М. Азовцева), углам бокового развала борозды при резании одиночным резцом, а также по измельчаемости.

Для прогнозирования горных ударов разработаны натурные спо­ собы оценки хрупкости в массиве (И.М. Петухов, Я.А. Бич и др.),

которые сочетаются с лабораторными определениями упругих и проч­ ностных характеристик пород.

Для изучения хрупкости и пластичности пород и породообразую­ щих минералов в ИГД им. А.А. Скочинского разработаны динамиче­ ские и статические методы. Поиск путей и методов определения хруп­ кости и пластичности горных пород продолжается, развиваются пред­ ставления о физической сущности этих явлений.

Хрупкость и пластичность часто рассматривают или как свойство, или как состояние вещества.

Одной из причин неопределенности и разноречивости взглядов является недостаточная систематизация, а часто игнорирование усло­ вий деформирования и разрушения твердых тел, особенно условий свободы или замкнутости, объемного или сосредоточенного прило­ жения внешних сил. Если металлы в большей или меньшей степени остаются пластичными почти во всех указанных условиях, то породы и минералы свою хрупкость и пластичность показывают по разному. Так, соляные породы (каменная соль, калийные руды), будучи весь­ ма пластичными в условиях всестороннего сжатия и вдавливания инденторов, отличаются вместе с тем значительной хрупкостью при раз­ рыве и динамическом свободном измельчении. В отличие от метал­ лов горные породы представляют гораздо более неоднородные по строению и вещественному составу многофазные гетерогенные полиминеральные системы. Весьма существенную роль в породах играют дефекты структуры (трещиноватость, кливаж, слоистость), характер напряженного состояния, степень насыщения водой и газами, кон­ тактные условия. При интенсивном всестороннем сжатии как образ­ цов, так и пород в массиве, деформации, которые называют пласти­ ческими, сопровождаются внутренним разрушением. Наблюдаются местные сдвиги, отрывы. Старые связи рвутся и не восстанавливают­ ся. Наблюдается своеобразный катаклаз, разрьрсление. Местные плас­ тические деформации, возникающие при вдавливании в породы инденторов, также характеризуются нарушениями внутренних связей. Они сочетаются с законтактным разрушением, где образуются новые трещины, развиваются старые сколы. Только внешне такие деформа­ ции пород напоминают явления, возникающие при вдавливании инденторов в металлы.

Нарушения связей, которые, как правило, не восстанавливают­ ся, — основная черта пластичноподобных (квазипластических) дефор­ маций большинства горных пород. Следовательно, твердые породы, равно как большинство углей, по их природе являются в различной степени хрупкими твердыми телами. Деформации, названные ” квазипластическими” возникают в них только в условиях, когда имеет место всестороннее, неравнокомпонентное сжатие. Приближаются

кдействительно пластичным только деформации слабых глинистых

иим подобных, в большей части склонных к набуханию под влияни­ ем воды пород, которые проявляются в виде пучения и выдавлива­ ния в сторону обнажения.

Одной из главных причин того, что твердые породы в обычных

условиях разрушаются хрупко и даже при сложном напряженном состоянии сжатия содержат элементы хрупкого нарушения связей, являются физические свойства породообразующих минералов, боль­ шинство которых — хрупкие вещества и лишь некоторые в опреде­ ленных условиях могут проявлять пластичноподобные местные или ’’всесторонние” деформации (пучение, брикетирование).

В дальнейшем, учитывая существующую традицию, мы будем пользоваться термином ’’пластичность” , но при этом рекомендуем относиться к нему критически. Порода разрушается свободно, когда имеется пространство для развития деформаций в сторону открытых поверхностей. Свободно протекает, например разрушение пород при дроблении кусков, глыб; отделенных от массива. Свобода благопри­ ятствует хрупкому отрыву, замкнутость — пластическим деформаци­ ям сдвига.

Сложность проявлений хрупкости и пластичности пород заклю­ чается в том, что местные, локализованные пластические деформа­

щих минералов является дискретность, их прерывистый, динамиче­ ский (в большей или меньшей степени) характер разрушения разры­ ва связей. Повторяющиеся во. времени и пространстве дискретномикродинамические элементарные акты местного поверхностного разрушения наблюдаются при склерометрических исследованиях твердости пород и минералов. Прерывистостью отличаются разруше­ ния микроскопического масштаба, возникающие при воздействии весьма малых сил. Микродинамические явления наблюдаются также в реологических исследованиях деформируемости пород. С позиции дискретности ’’кванты микро- и макронарушений” различного мас­ штаба требуют соответствующих квантов энергии.

При испытаниях пород на разрушение и ударную твердость на стендах наблюдаются энергетические и силовые ’’барьеры” — критиче­ ские уровни, которые определяются механическими свойствами объ­ ектов разрушения и контактными напряжениями. Скачкообразное преодоление указанных барьеров и придает разрушению дискретно­ динамический характер. В хрупких породах и минералах дискрет­ ность разрушения проявляется в большей степени, в пластичных —

ствии рабочих органов породоразрушающих горных машин), в зави­ симости от хрупкости пород отличается сложностью и многообрази­ ем. При сосредоточенном разрушении пород малой твердости и, соответственно, пластичных (группа а), пластично-хрупких, большей частью средней твердости (б) и весьма хрупких и твердых (в) непо­ средственно в приконтактной области создается напряженное состоя­ ние близкое к всестороннему сжатию. В породах групп а и б в зоне контакта возникает уплотнение, сопровождающееся местным упроч­ нением (увеличением твердости). Интенсивность эффекта уплотне­