Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

ния зависит от физико-механических свойств, плотности, структуры

ивещественного состава пород, а также от величины контактных напряжений и сопротивления трению в контакте. При повторном вдавливании в одну и ту же точку поверхности породы степень твер­ дости в этом месте возрастает до некоторого предела. Уплотнение ограничено приконтактной зоной. При вдавливании инструментов горных машин или инденторов в эти породы вместе с тем возникает законтактное хрупкое разрушение, отрывы, сколы. Это характерно

идля породообразующих минералов малой твердости, склонных к пластическим деформациям в условиях всестороннего сжатия. При ударах бойков, оснащенных выпуклыми алмазами или другими инденторами сферической формы, контактная поверхность имеет ров­ ные очертания (подобно деформациям металлов и пластичных пород при статическом вдавливании сферы), а за пределами непосредствен­ ного контакта возникают в основном радиальные трещины разрыва, которые не влекут за собой полного отрыва. Повторные удары по тому же месту ведут к углублению трещин, своеобразному выпучи­ ванию краев лунок, возникновению дополнительных мелких трещин.

Имеются весьма пластичные породы, в которых наблюдается толь­ ко контактное уплотнение (группа а).

Упород группы в в приконтактной зоне происходит только разру­ шение, повторные удары ведут к уменьшению твердости, а в законтактной области возникают крупные выколы. Таким образом, имеют место мелкое дробление в замкнутой зоне развития напряжений все­ стороннего сжатия и крупномасштабные отрывы и сколы за преде­ лами контакта. Аналогично протекают процессы разрушения твер­ дых хрупких пород при ударном бурении шпуров и скважин перфо­ раторами, пневмоударниками и шарошками. Аналогичная картина

наблюдается при разрушении минералов вы сокой твердости, напри­ мер кварца. В таких минералах в законтактной области возникают выколы. Область развития значительных напряжений и разрушения представлена концентрическими прерывистыми трещинами отрыва, часть которых не доходит до поверхности, а также радиальными трещинами, уходящими в глубь кристалла. Контактное уплотнение пластичных и пластично-хрупких пород, породообразующих мине­ ралов, а также углей ведет к повышению энергоемкости их разру­ шения горными машинами.

Приконтактное разрушение углей и пород породообразующими горными инструментами активно влияет на развитие разрушения в целом. Трещины распространяются в сторону обнаженных поверх­ ностей угольного пласта вперед и в боковом направлении, создавая зону разрушения более широкую, чем ширина контакной площади. Для энергетических расчетов было использовано устройство, осно­ ванное на принципе затухающих колебаний, впервые предложенное для измерений твердости Д.И. Менделеевым. Маятниковый склеро­ метр, разрушающий орган которого представлял собой конус из вольфрамо-кобальтового твердого сплава (угол заострения 90° ), отводился до определенной амплитуды (3 см) и колебался до пол­

ного затухания колебаний. Нагрузка, приложенная к рабочему ост­ рию прибора, изменялась от 6 до 30 Н. Потенциальная энергия маят­ ника, отведенного на определенную высоту, переходя в энергию коле­ бательного движения, затрачивалась на разрушение поверхностных слоев кристаллов, на местные пластические деформации и трение. Таким образом были определены затраты энергии без внешних по­ терь. Поглощалась вся потенциальная энергия колебаний маятника. Линейные размеры частиц отделенных кристаллов составляли 5 — 400 мкм. Установлено, что фактически поглощенная удельная работа превышает поверхностную энергию оторванных кристаллов в 10 «;00—100 000 раз. Стало очевидным, что в условиях всестороннего сжатия значительная часть энергии расходуется не только на явное разрушение — диспергирование вещества, но и на пластические дефор­ мации (вплоть до брикетирования), внутреннее трение и, по-видимо­ м у на скрытое дробление кристаллической решетки кристаллов.

Анализируя полученные результаты [1] акад. В.Д. Кузнецов высказал предположение, что видимые размеры раздробленных частиц каменной соли могут быть значительно больше кристалли­ ков, на которые диспергируется кристаллическая решетка. Мы пола­ гаем, что внутреннее нарушение связей возникает не только и не столько в явно отделенных кристаллах, но также в более глубоких зонах развития всестороннего сжатия.

Разумеется, обнаруженная диспропорция столь крупного масшта­ ба относится к веществам, проявляющим значительную пластичность, в хрупких же минералах и породах столь больших энергетических расхождений ожидать нельзя. Так, при вдавливании выпуклых алма­ зов в кристаллы галита (рис. 2.2) в зоне развития всестороннего сжатия имеют место глубокие пластические деформации. Хрупкое стекло в зоне контакта и за ее пределами только разрушается. Уста­ новлено, что с увеличением нагрузки в 8—10 раз, глубина внедрения в галит возрастает в 2—2,5 раза, а в хрупкий кварц и силикатное стекло в 8—15 раз.

При этом напряжения, отнесенные к проекции поверхности кон­

до 700 МПа).

Характерным для хрупких пород и минералов является критиче­ ский ’’порог разрушения” , который в пластичных веществах выра­ жен слабее. Решающее значение при разрушении имеет дефекты строения твердых тел. Микротрещины, дислокации, крупные трещи­ ны и поры являются очагами хрупкого разрыва.

Хрупкие вещества гораздо хуже сопротивляются растяжению (Яр) по сравнению со сжатием (Я ^ ) . Многими авторами предложе­ ны расчетные формулы для определения Я р по данным измерений Я сж, выражающие линейную корреляционную связь между этими величинами. В действительности связь между прочностными харак­ теристиками Яр и Ясж чаще всего имеет криволинейный характер, а соотношения между рассматриваемыми характеристиками прочно-

Рис. 2.2. Характер изменения контакт* ных напряжений ок с возрастанием уси* лий вдавливания F :

1 — в пластичное тело (галит); 2 — в хрупкое тело (силикатное стекло)

Рис. 2.3. Корреляционная зависимость между величинами прочности на сжа­ тие Ясж и растяжение Яр для некото­ рых типичных пород Донбасса: аргил­ литов (а), алевролитов (б) и песчани­ ков (6)

2 4 6 бйр'МПаО 2 4 6 в 6р,МПа 0 2 4 6 6р,МПа

сти изменяются в широких пределах (рис. 2.3). Велик и разброс дан­ ных, отражающих эту корреляционную зависимость для пород раз­ личных минералого-петрографических видов.

Отношение R ^ fR ^ отражает проявление хрупкости пород и уг­ лей. Наряду с другими признаками это соотношение может дать до­ полнительную информацию о склонности пород к внезапным вы бро­ сам и горным ударам. Это отношение велико для некоторых углей выбросоопасных пластов Донбасса и Печорского бассейнов, повы­ шено для выбросоопасных песчаников, а также для выбросоопас­ ных пластов калийных месторождений.

В ИГД им. А.А. Скочинского отношение R ^/ R ^, названное ’’ко­ эффициентом хрупкости” , было принято в качестве одного из крите­ риев хрупкости пород и углей. Это сочетается с применением комп­ лексного метода определения прочности на растяжение (по принципу раскалывания) и одноосное сжатие. В условиях хрупкого раскалыва­ ния-разрыва под действием сил сжатия образуются две отличающиеся друг от друга по крупности группы минеральных зерен, о чем свиде-

Рис. 2.4. Распределение продуктов дробления при раскалывании — разрыве квар­ ца: » —частость распределения; d —диаметр частиц

тельствует кривая распределения, имеющая два максимума (рис. 2.4). При разрушении сжатием продукты дробления состоят, с одной сто­ роны, из крупных обломков, образовавшихся в результате отрыва (преимущественно в области структурных дефектов), и из мелко раздробленных частиц, образовавшихся в контактных зонах, где пре­ обладают напряжения сдвига.

Действительный характер хрупкого разрушения объясняет в зна­ чительной мере расхождения между известными энергетическими теориями. Энергетические затраты на дробление силами сжатия или ударов состоят из двух компонентов, первый из которых подчиняет­ ся закономерностям хрупкого объемного разрыва, второй — измель­ чению с большой вновь образованной поверхностью продуктов дроб­ ления. И то и другое характерно для реальных явлений хрупкого объемного измельчения и выражается законом акад. П.А. Ребиндера

A o6 = gV + Х С

где А 0g — полная работа разрушения; g — удельная энергия упруго­

С физической точки зрения процесс разрушения, который имеет место при проведении испытаний механических свойств горных по­ род и углей посредством измерений их измельчаемости копровыми способами или во вращающихся камерах дробящими телами, можно рассматривать в излагаемом аспекте как совокупность множества актов раскалывания-разрыва ударно действующими нагрузками. От статических методов определения прочности пород на растяжение по принципу раскалывания определения измельчаемости в указанных выше условиях отличаются в основном динамичностью и массовым характером. По аналогии со статическим раскалыванием есть все

основания рассматривать соответствующие характеристики измельчаемости пород, породообразующих минералов, а также углей, как меру их динамической прочности при растяжении.

В ИГД им. А.А. Скочинского на основе закономерностей измене­ ния состояния и физических свойств поверхностных слоев в области сосредоточенно-контактного динамического нагружения испытывае­ мой породы, угля или минерала разработан метод повторных уда­ ров [7].

Метод касается нагружения, деформаций и разрушения при лока­ лизованном приложении внешних сил, когда в зоне контакта бойка с образцом создается напряженное состояние, приближающееся к всестороннему сжатию. Метод позволяет использовать известный при­ бор Шора, применяемый для испытаний твердости металлов и неко­ торых других веществ по принципу ’’упругого отскока” . При испыта­ ниях методом повторных ударов боек после первого удара сбрасы­ вают в то же место вторично, затем в третий раз и т.д. Высота упру­ гого отскока при этом изменяется в зависимости от физических свойств и реакции испытуемой породы или минерала (контактное уплотнение или разрушение). Когда высота отражения после некото­ рого числа ударов становится стабильной или незначительно откло­ няется от средней величины, повторные удары прекращают. Число ударов N в одну точку составляет обычно 8—20.

Мерой хрупкости и пластичности служит величина

«у* Г ф грН

нении или наименьшее при контактном разрушении) после* повтор­ ных ударов; Гщ — соответственно начальное (минимальное в пер­ вом случае и максимальное во втором) значение твердости.

Величина К может быть положительной (Купл) или отрицатель­ ной (üTpa3p). Положительные значения отражают условные значения динамической пластичности, отрицательные — вы сокую динамиче­ скую хрупкость. Низкие значения К упл свидетельствуют о прибли­ жении к хрупкости (соответственно пониженной пластичности) породы или минерала. Испытания производят в ряде точек поверх­ ности образца породы или минерала по определенной сетке. Вычис­ ляют средние значения. Типичные кривые динамического контактно­ го уплотнения и разрушения пород и породообразующих минералов, полученные при проведении испытаний методом повторных ударов, представлены на рис. 2.5 и 2.6.

Метод успешно применен для изучения динамической твердости и хрупко-пластических свойств горных пород ряда месторождений, некоторых углей и распространенных минералов (табл. 2.1, 2.2).

Как видно из таблиц показатели динамических поверхностных хрупко-пластических свойств пород и породообразующих минера-