Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

лов, полученные методом повторных ударов, изменяются для по­ род от +700 до —43, а для минералов от +800 до —74.

При испытаниях минералов обнаружены проявления анизотро­ пии не только твердости, но и хрупко-пластических свойств. Анизо­ тропия твердости минералов наблюдается и при испытаниях методом ’’царапания” (склерометрические исследования). Исследованиями на различных гранях кристаллов, в плоскостях, по-разному ориентиро­ ванных относительно главных кристаллографических осей (опыты с кварцем, гипсом и др.), получены существенно разные значения хрупкости и пластичности.

Метод повторных ударов с измерениями упругого отскока исполь­ зован в шахтных условиях Донбасса Н.Г. Русаковым (Донецкий политехнический институт). Для испытаний в массиве использован пружинный молоток конструкции Центрального научно-исследова­ тельского института строительных конструкций (ЦНИИСК), разра­ ботанный по типу так называемых молотков Шмидта. Численные характеристики хрупкости или, наоборот, ударной вязкости пород и углей, можно получить посредством их динамического разрушения при дроблении. Энергетические характеристики такого процесса — удельная работа дробления* степень измельчения (вновь образован-

ная поверхность, гранулометрический состав, количество тонких фракций в раздробленном веществе) — связаны с хрупкостью пород и углей.

Существуют промышленные способы испытаний товарных проб углей, кокса, строительного и дорожного щебня, основанные на опре­ делениях их дробимости.

В горном и геолого-разведочном деле возникает необходимость проведения массовых испытаний проб небольшого объема. В связи с этим был разработан метод измерений измельчаемости, и, соответ­ ственно, удельной работы дробления небольших проб. В свое время они получили наименование микродиспергометрических. В частности, испытания измельчаемости углей и некоторых пород производились стальными шарами во вращающихся цилиндрических камерах не­ большого объема. Один из первых приборов такого типа (РД-4) состоял из шести заключенных в общий кожух стальных цилиндров, внутренний диаметр которых равнялся 82 мм, а длина 50 мм. Одно­ временно испытывались 6 проб углей. Объем каждой (после сокра­ щения по правилам опробования) составлял 20 см3. Исходная круп­ ность угля 5 -г 14 мм.

Оценка вновь образованной поверхности производилась посред­ ством определений содержания в продуктах разрушения объема фракций мельче 0,07 мм и мельче 2,5 мм или одной из них (мельче 0,07 м м ). Объем последней характеризовал приближенно степень из­ мельчения. Соотношения численных значений характеристик измель­ чаемости различных углей и пород зависят, разумеется, в большой степени от условия разрушения, прежде всего от уровня разрушаю­ щих напряжений и затраченной работы (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Кривые распределения продуктов измельчения в камерах при частоте вращения 4,2 с-1 (д), 8,4 с-1 (б) и 16,7 .с*1 (в) проб Донецких углей различных марок:

1 - А; 2 - Г; 3 - Т; 4 - ПС; i - частость распределения; d — размер частиц

Другая модель такого прибора была разработана в ИГД им. А.А. Скочинского и успешно применена для изучения хрупко­ пластических свойств преимущественно магматических пород различ­ ного минерального состава и строения. Параллельно произведены испытания методом толчения М.М. Протодьяконова младшего.

Необходимо иметь в виду, что все динамические методы измель­ чения, в том числе способ толчения, дают характеристики пород, су­ щественно отличающиеся от значений статической прочности, в том числе от величины R ^/IO (значения Дсж выражены в МПа), которая была рекомендована в свое время М.М. Протодьяконовым старшим в качестве коэффициента крепости.

На основании обобщения экспериментальных данных, полученных в ИГД им. А.А. Скочинского и других организациях, был разработан проект классификации пород минералого-петрографических типов по характеристикам их динамической прочности. Использованы для этой цели сведения, полученные способом толчения (с применением прибора ПОК, который вошел в дальнейшем в ГОСТ 21153.1—75). В указанной классификации [8] по динамическим прочностным ха­ рактеристикам горные породы разбиты на 5 групп и 14 подгрупп.

Таблица 2.3. Характеристики хрупко-пластических свойств пород в зависимости от прочности и коэффициента крепости

Для самых хрупких и слабых пород и углей динамические коэффи­ циенты крепости составляют доли единицы. Для крепких и вязких мартитов и джеспилитов Кривбасса их величина достигает 35—38.

Предлагаемую классификацию целесообразно дополнить новыми опытными данными, полученными за последние 10—15 лет.

Характеристики измельчаемости динамически действующими силами были использованы для получения сопоставимых, не завися­ щих от прочностных свойств, показателей хрупкости пород и углей. Предпосылкой к этому было предложение, что мерами хрупкости могут служить отношения удельной работы, затраченной на измельче­ ние ударно-действующими силами (или иной характеристики динами­ ческой прочности), к прочностным показателям, полученным при статическом нагружении. В качестве статической характеристики сопротивляемости разрушению принят предел прочности пород при одноосном сжатии ■/?<**, в качестве критерия динамической прочнос­ ти — предусмотренный ГОСТом 21153.1—75 коэффициент крепости /динЗначения характеристик хрупко-пластических свойств некото­ рых пород и углей, определяемых отношением /дан/Лок» приведены в качестве примера в табл. 2.3. Для разных пород они расходятся в широком диапазоне.

Положительной стороной оценки хрупкости пород и углей по принципу динамического разрушения (измельчения) является дос­ тупность критериев и методик. Характеристики /?р для преобла­ дающего числа пород и углей дают непосредственно испытания образ­ цов полуправильной формы, выполняемые методами ИГД им. А.А. Скочинского [9 ,1 0 ].

3. ВИД НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Залегая на различных глубинах от земной поверхности горные поро­ ды испытывают давление вышележащих толщ. В зонах тектонических движений земной коры к напряжениям, вызванным весом вышележа­ щих пород, прибавляются тектонические напряжения, приводящие