Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ, ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВНЕДРЕНИИ ШТАМПА

7.1. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Все виды нагружения в принципе следует относить к динамическим, тем не менее критерием оценки вида нагружения динамического или статического принят условно удельный вес инерционных сил в общем балансе действующих сил (15% и более от статической нагрузки). Второй особенностью поведения пород при динамических нагрузках является неравномерность во времени и по величине распределения напряжений по нагруженному объему, так как распределение напря­ жений преимущественно носит волновой характер. Третьей особен­ ностью поведения пород при динамическом нагружении является неравномерность деформирования нагружаемого объема, — одна часть нагружаемого объема деформируется больше, а другая часть этого же объема может быть деформирована меньше, или не дефор­ мироваться совсем.

Таким образом, при динамическом нагружении сравнительно большую роль играют волновые процессы, тогда как при статических нагрузках волновые процессы возникают лишь в первый период на­ гружения, а в дальнейшем они затухают и на процесс образования напряжений не влияют.

Разрушение породы при динамическом нагружении может прои­ зойти сразу в нескольких местах, тогда как при статическом нагру­ жении разрушение произойдет в наиболее слабом месте.

Из сказанного видно, что характер, форма деформаций и величи­ на напряжений в нагружаемом объеме зависит от способа приложе­ ния нагрузки, поэтому и показатели свойств пород, полученные при динамических и статических нагрузках имеют разные значения.

При выяснении влияния скорости нагружения на показатели свойств горных пород при динамическом внедрении пуансона процесс нагружения следует рассматривать как процесс взаимодействия двух тел — пуансона и породы. При этом следует иметь в виду, что масса пуансона или любого внедряемого тела имеет ограниченные размеры, а массу породы, как правило, принимают бесконечно большой.

Установлено [28], что не вся бесконечно большая масса породы будет принимать участие в процессе нагружения, а только его часть, обусловленная временем контакта нагружающего тела с породой, скоростью прохождения упругих волн, а также величиной и формой поверхностей тел.

Таким образом от свойств, размеров и форм нагружающего тела будет зависеть характер, закон и режим, по которому будет нагру­ жаться испытываемая порода.

Объем породы, охваченной деформацией, в процессе нагружения будет зависеть от формы контактирующей поверхности. При точеч­

ном контакте нагружающего тела с породой объем породы будет иметь форму полусферы с радиусом, равным произведению скорости распространения волн на время нагружения. В случае линейной на­ грузки форма этого объема будет близка к эллипсоиду. При равно­ мерно распределенной нагрузке по площади, форма и размеры поро­ ды, участвующей в нагружении будут зависеть от соотношения и величины контактирующей поверхности, а также от скорости распро­ странения продольных волн и от времени нагружения.

Таким образом при рассмотрении процесса динамического нагру­ жения должна рассматриваться совместно взаимодействующая пара — нагружающее тело и порода.

В дальнейшем для получения сравнимых результатов и классифи­ кации пород мы будем задаваться режимом нагружения, принимая при этом нагружающее тело (пуансон или другой инструмент) с по­ стоянными свойствами, обусловленными его формой и материалом. При этом будем иметь в виду, что массы взаимодействующих тел будут считаться сосредоточенными в центре инерции этих масс (объ­ емов) или тел.

При динамическом нагружении породы играет роль еще и схема нагружения. Под схемой нагружения понимается такое расположение ударяющего тела и породы, когда энергия удара может передаваться породе либо непосредственно ударяющим телом, либо через проме­ жуточный элемент (тело).

Характёр нагрузки в принципе не зависит от времени нагружения, хотя количественная разница в величине и виде передаваемой энергии имеется. При этом большую роль будет играть соотношение формы и размеров всех масс.

При непосредственном ударе тела о породу вначале возникает волна напряжений, которая будет распространяться по породе со ско­ ростью звука. Одновременно с этим возникает волна и в ударяемом теле, которая будет распространяться по нему также со скоростью звука. Как только волна дойдет до противоположного (от контак­ та) конца тела, она превратится из волны сжатия в волну растяжения и в отрицательной фазе вернется к месту контакта соударяющихся тел. Время контакта ударяющего тела с породой будет зависеть как от времени пробега волны по ударяющему телу, так и от формы тела и его контактирующей поверхности. Затем, если запас энергии у уда­ ряющего тела достаточный, может произойти разрушение на контак­ те соударяющихся тел. После чего ударяющее тело отскочит от поро­ ды, если упругие силы ее еще будут иметь место.

Таким образом энергия удара, запасенная в виде кинетической энергии ударяющегося тела будет превращена в энергию, идущую на разрушение, на упругие деформации и диссипативные потери в вол­ не, и на остаточную энергию, идущую на отскок ударяющего тела.

7.2. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПУАНСОН

В настоящее время наиболее распространены:

метод определения динамической твердости по упругому отскоку на приборе Шора;

метод определения твердости, основанный на измерении энергии, требующейся на внедрение пуансона определенной длины (ударник ДорНИИ);

метод определения динамических характеристик пород на прибо­ рах типа ДП-7 (8) и ПДС-4 (5).

Сущность метода с использованием прибора Шора и аналогичных ему приборов (Тархова и др.) состоит в том, что на гладко обрабо­ танную поверхность испытываемого образца горной породы сбрасы­ вается с определенной высоты боек со сферическим алмазным нако­ нечником и по средней высоте отскока бойка от поверхности породы определяют твердость породы. Сбрасывание бойка производят каж­ дый раз в различные точки образца. Отношение высоты отскока к вы ­ соте сбрасывания называется коэффициентом отскока, который ха­ рактеризует упругие свойства. Образцы горной породы должны иметь две плоско параллельные шлифованные плоскости. Толщина образца должна быть не менее 40—50 мм. На этом же приборе опреде­ ляется и контактная, динамическая пластичность горных пород, кото­ рая основана на изменении эффекта контактного упрочнения при повторных микроударах в одну и ту же точку образца.

Сущность метода, основанного на измерении энергии для внедре­ ния пуансона на приборах типа ударника ДорНИИ заключается в том, что в породу вбивается пуансон определенной длины, при этом энер­ гия одного удара остается постоянной. За показатели энергоемкости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения пуан­ сона. Длина пуансона в ударнике ДорНИИ 100 мм, диаметр 11 мм.

Параметры удара на приборе ДорНИИ могут изменяться в зависи­ мости от твердости породы. Для грунтов принимают массу груза 2,5 кг и высоту 40 см. Известны и другие параметры груза, при кото­ рых энергия удара выше.

Метод определения динамических контактных характеристик на приборах ДП-8 и ПДС-4 (5) основан на динамическом внедрении плос­ кого штампа в слабо обработанную (после распиловки алмазным диском) поверхность образца горной породы. При этом высота сбра­ сывания груза со штампом переменная и сбрасывание производится каждый раз в разные точки образца. В принципе методика работ на этих приборах одна и та же, но метод регистрации параметров удара

метры удара фиксируются на экране электронной трубки. При этом записывается сразу график сила — внедрение.

Рис. 7.1. Прибор для определения динамических контактных характеристик по* род ДП*8:

а —конструкция прибора; б —пустотелый груз

Таким образом, при ударе индентора о породу мы получаем на приборе величину сжатия пружины, которая зависит от свойств поро* ды (от ее сопротивляемости внедрению индентора), а также величину деформации породы под индентором.

После установки прибора и внешнего его осмотра проводят под­ готовку к работе в следующем порядке.

Вначале устанавливается испытываемый образец горной породы на плиту и закрепляется винтом; затем нужно опустить подвижный груз на образец и убедиться в том, что индентор контактирует с об ­ разцом по всей поверхности.

После этого необходимо поставить на нули все показатели переме­ щений путем вращения опорной втулки 20 и шкалы индикатора часо­ вого типа, а также установить ограничитель высоты 21 на нужную отметку.