Изучение механических свойств горных пород и угля на образцах

19.05.2018
Для понимания природы и механизма проявления горных ударов в различных горно-геологических условиях необходимо иметь представление об условиях накопления упругой энергии в пласте угля и боковых породах, о причинах развязывания и законах протекания процесса хрупкого разрушения пласта угля. В связи с этим возникает необходимость изучения механических свойств угля и пород по нескольким направлениям. Главными среди них являются:

1. Определение модулей упругости, коэффициентов Пуассона, временного сопротивления на сжатие, срез и отрыв, углов внутреннего трения и сцепления. Установление зависимости перечисленных показателей от соотношения сторон, формы и размеров образцов, а также режима нагружения.

2. Определение прочности и деформационных характеристик угля и пород при длительной постоянной нагрузке. Установлено, например, что даже образцы угля, взятые из самых прочных пачек пластов № 11 и № 13 Кизеловского бассейна, имеющих временное сопротивление сжатию 222—369 кг/см2, при постоянных нагрузках, близких к разрушающим, обнаруживают пластические деформации, происходящие со скоростью 0,4—2,4 мм/час за 0,5—1,0 час до разрушения и 6—13 мм/час за последние 10—25 мин до разрушения,

3. Изучение условий перехода горных пород в предельное состояние при объемном сжатии для выяснения процессов, предшествующих и сопутствующих хрупкому разрушению. Для выполнения этих исследований создана уникальная установка пропорционального нагружения (ГУПН), обеспечивающая осевую нагрузку до 30 000 атм и боковую — до 15 000 атм. Благодаря этим работам обоснован эффект увеличения объема плотных горных пород, возникающий за счет раскрытия микротрещин при неравномерном трехосном сжатии, получена обобщенная кривая текучести в координатах: «касательное напряжение — главная максимальная неупругая деформация» и на ее основе предложен способ оценки склонности горных пород к самопроизвольному хрупкому разрушению.

4. Установление законов хрупкого разрушения образцов горных пород и обмена энергией между системой пресса и образцом. Этими работами определены: время протекания хрупкого разрушения породы, скорости летящих кусков, пропорциональность между мощностью разрушения и запасенной потенциальной энергией. Экспериментально показаны значение и условия взаимного обмена энергией между разрушаемым образцом породы и системой пресса. В случае «акустической прозрачности» контакта энергия может уходить из образца и поглощаться системой пресса; если период собственного колебания траверз пресса меньше времени разрушения образца, то энергия, запасенная в системе пресса, участвует в разрушении образца. Последний вопрос был поставлен ранее как применительно к разрушению образцов горных пород, так и для объяснения механизма горного удара. В настоящее время, таким образом, он получил экспериментальное подтверждение.