21.01.2020
Неизменным участником любого интерьера является диван. Сегодня его размещают не только в гостиных, но и детских, спальнях и даже...


21.01.2020
Самой распространенной деталью, предназначенной для крепежа, считается винт. Его можно встретить в различных областях: начиная со...


21.01.2020
Поклонники натуральных продуктов предпочитают пользоваться натуральными косметическими средствами. В них не содержатся вредные...


20.01.2020
Жители мегаполисов пьют кофе как минимум трижды в день - и киевляне не исключение. Дома это может быть напиток, сваренный в турке...


20.01.2020
Сомнительно, что продавец разрешит вам распотрошить, к примеру, кресло для оценки его внутренностей. Поэтому попробуем дать ряд...


20.01.2020
МДФ в последние годы стало одним из наиболее популярных материалов в производстве, а также строительстве. Его используют гораздо...


Хрупко-пластические свойства горных пород и породообразующих минералов

12.11.2019

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 о—е могут условно охарактеризовать коэффициенты хрупкости kxp и пластичности kпл. Площадь диаграммы SОМСД отражает полную работу разрушения Aоб. Точка Af является условным пределом упругости. Работа упругих деформация Ayn складывается из работы чисто упругого деформирования (площадь SAMN) и той части работы, которая соответствует работе упрочнения, т.е. накопления дополнительной упругой энергии до разрушения (SNMBE). значит Aуп = SАВЕ.

Начальный вогнутый участок диаграммы, которому соответствует значение деформаций на отрезке OA, наблюдается при деформировании пористых горных пород. За меру хрупкости принимается отношение kхр = Aуп/Aоб, а коэффициент пластичности будет характеризоваться величиной kпл = (Аоб - Ауп)/Aоб.

Л.А. Шрейнер детально разработал способ определения пластичности пород при вдавливании пуансона (цилиндрического или в виде усеченного конуса), выполненного из стали или твердого сплава.

Пластичность определяется по графику в координатах F и Ah. За меру пластичности kпл принимается отношение полной работы, затраченной до момента разрушения под пуансоном Aоб (SOMCD), к полной работе упругих деформаций с учетом упрочнения Aуп (SАВЕ), т.е. коэффициент пластичности kпл = Aоб/Aуп для пластичных или пластично-хрупких горных пород превышает единицу. Для высокопластичных пород, не дающих хрупкого разрушения при вдавливании, 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 статического контактного модуля остаточной деформации.

В последнее время для оценки склонности пород к хрупкому разрушению пользуются "запредельными характеристиками", наблюдаемыми после достижения предела прочности (Б.В. Матвеев, Ю.М. Карташов и др.), угли делят на хрупкие и вязкие по энергоемкости их разрушения горными машинами (А.И. Берон, Е.З. Позин, Б.М. Лейбов, В.З. Меламед, С.М. Азовцева), углам бокового развала борозды при резании одиночным резцом, а также по измельчаемости.

Для прогнозирования горных ударов разработаны натурные способы оценки хрупкости в массиве (И.М. Петухов, Я.А. Бич и др.), которые сочетаются с лабораторными определениями упругих и прочностных характеристик пород.

Для изучения хрупкости и пластичности пород и породообразующих минералов в ИГД им. А.А. Скочинского разработаны динамические и статические методы. Поиск путей и методов определения хрупкости и пластичности горных пород продолжается, развиваются представления 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 условий деформирования и разрушения твердых тел, особенно условий свободы или замкнутости, объемного или сосредоточенного приложения 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 весьма пластичными в условиях всестороннего сжатия и вдавливания инденторов, отличаются вместе с тем значительной хрупкостью при разрыве и динамическом свободном измельчении. В отличие от металлов 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, контактные условия. При интенсивном всестороннем сжатии как образцов, так и пород в массиве, деформации, которые называют пластическими, сопровождаются внутренним разрушением. Наблюдаются местные сдвиги, отрывы. Старые связи рвутся и не восстанавливаются. Наблюдается своеобразный катаклаз, разрыхление. Местные пластические деформации, возникающие при вдавливании в породы ин-деиторов, также характеризуются нарушениями внутренних связей. Они сочетаются с законтактным разрушением, где образуются новые трещины, развиваются старые сколы. Только внешне такие деформации пород напоминают явления, возникающие при вдавливании инденторов в металлы.

Нарушения связей, которые, как правило, не восстанавливаются, — основная черта пластичноподобных (квазипластических) деформаций 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 к действительно пластичным только деформации слабых глинистых и им подобных, в большей части склонных к набуханию под влиянием воды пород, которые проявляются в виде пучения и выдавливания 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, большинство которых — хрупкие вещества и лишь некоторые в определенных 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 благоприятствует хрупкому отрыву, замкнутость — пластическим деформациям сдвига.

Сложность проявлений хрупкости и пластичности пород заключается в том, что местные, локализованные пластические деформации объемного сжатия могут сочетаться с хрупким разрушением в одной и той же породе или минерале.

Одной из существенных особенностей пород и породообразующих минералов является дискретность, их прерывистый, динамический (в большей или меньшей степени) характер разрушения разрыва связей. Повторяющиеся во времени и пространстве дискретно-микродинамические элементарные акты местного поверхностного разрушения наблюдаются при склерометрических исследованиях твердости пород и минералов. Прерывистостью отличаются разрушения 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 масштаба требуют соответствующих квантов энергии.

При испытаниях пород на разрушение и ударную твердость на стендах наблюдаются энергетические и силовые "барьеры" — критические уровни, которые определяются механическими свойствами объектов разрушения и контактными напряжениями. Скачкообразное преодоление указанных барьеров и придает разрушению дискретнодинамический характер. В хрупких породах и минералах дискретность разрушения проявляется в большей степени, в пластичных — слабее. Механизм явлений, которые возникают при статическом и динамическом вдавливании инденторов (равно как при воздействии рабочих органов породоразрушающих горных машин), в зависимости от хрупкости пород отличается сложностью и многообразием. При сосредоточенном разрушении пород малой твердости и, соответственно, пластичных (группа а), пластично-хрупких, большей частью средней твердости (б) и весьма хрупких и твердых (в) непосредственно в приконтактной области создается напряженное состояние близкое к всестороннему сжатию. В породах групп а и б в зоне контакта возникает уплотнение, сопровождающееся местным упрочнением (увеличением твердости). Интенсивность эффекта уплотнения зависит от физико-механических свойств, плотности, структуры и вещественного состава пород, а также от величины контактный, напряжений и сопротивления трению в контакте. При повторном вдавливании в одну и ту же точку поверхности породы степень твердости 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 за контактное хрупкое разрушение, отрывы, сколы. Это характерно и для 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 ровные очертания (подобно деформациям металлов и пластичных пород при статическом вдавливании сферы), а за пределами непосредственного 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 выпучиванию краев лунок, возникновению дополнительных мелких трещин.

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

У пород группы в в приконтактной зоне происходит только разрушение, повторные удары ведут к уменьшению твердости, а в законтактной области возникают крупные выколы. Таким образом, имеют место мелкое дробление в замкнутой зоне развития напряжений всестороннего сжатия и крупномасштабные отрывы и сколы за пределами контакта. Аналогично протекают процессы разрушения твердых хрупких пород при ударном бурении шпуров и скважин перфораторами, пневмоударниками и шарошками. Аналогичная картина наблюдается при разрушении минералов высокой твердости, например 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 минералов, а также углей ведет к повышению энергоемкости их разрушения горными машинами.

Приконтактное разрушение углей и пород породообразующими горными инструментами активно влияет на развитие разрушения в целом. Трещины распространяются в сторону обнаженных поверхностей угольного пласта вперед и в боковом направлении, создавая зону разрушения более широкую, чем ширина контактной площади. Для энергетических расчетов было использовано устройство, основанное на принципе затухающих колебаний, впервые предложенное для измерений твердости Д.И. Менделеевым. Маятниковый склерометр, разрушающий орган которого представлял собой конус из вольфрамо-кобальтового твердого сплава (угол заострения 90°), отводился до определенной амплитуды (3 см) и колебался до полного затухания колебаний. Нагрузка, приложенная к рабочему острию прибора, изменялась от 6 до 30 Н. Потенциальная энергия маятника, отведенного на определенную высоту, переходя в энергию колебательного движения, затрачивалась на разрушение поверхностных слоев кристаллов, на местные пластические деформации и трение. Таким образом были определены затраты энергии без внешних потерь. 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 10 000—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 деформации (вплоть до брикетирования), внутреннее трение и, по-видимому на скрытое дробление кристаллической решетки кристаллов.

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

Разумеется, обнаруженная диспропорция столь крупного масштаба относится к веществам, проявляющим значительную пластичность, я хрупких же минералах и породах столь больших энергетических расхождений ожидать нельзя. Так, при вдавливании выпуклых алмазов 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. Установлено, 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 контакта, при внедрении в галит возросли примерна в 2 раза (с 16 до 33 МПа), а в хрупком стекле уменьшились в 9 раз (с 6000—7000 до 700 МПа).

Характерным для хрупких пород и минералов является критический "порог разрушения", который в пластичных веществах выражен слабее. Решающее значение при разрушении имеет дефекты строения твердых тел. Микротрещины, дислокации, крупные трещины и поры являются очагами хрупкого разрыва.

Хрупкие вещества гораздо хуже сопротивляются растяжению (Rр) по сравнению со сжатием (Rсж). Многими авторами предложены расчетные формулы для определения Rр по данным измерений Rсж. выражающие линейную корреляционную связь между этими величинами. В действительности связь между прочностными характеристиками Rр и Rсж чаще всего имеет криволинейный характер, соотношения между рассматриваемыми характеристиками прочноста изменяются в широких пределах (рис. 2.3). Велик и разброс данных, отражающих эту корреляционную зависимость для пород различных минералого-петрографических видов.

Отношение Rсж/Rр отражает проявление хрупкости пород и углей. Наряду с другими признаками это соотношение может дать дополнительную информацию о склонности пород к внезапным выбросам и горным ударам. Это отношение велико для некоторых углей выбросоопасных пластов Донбасса и Печорского бассейнов, повышено для выбросоопасных песчаников, а также для выбросоопасных пластов калийных месторождений.

В ИГД им. А.А. Скочинского отношение Rсж/Rр, названное "коэффициентом хрупкости", было принято в качестве одного из критериев хрупкости пород и углей. Это сочетается с применением комплексного метода определения прочности на растяжение (по принципу раскалывания) и одноосное сжатие. В условиях хрупкого раскалывания-разрыва под действием сил сжатия образуются две отличающиеся друг от друга по крупности группы минеральных зерен, о чем свидетельствует кривая распределения, имеющая два максимума (рис, 2.4). При разрушении сжатием продукты дробления состоят, с одной стороны, из крупных обломков, образовавшихся в результате отрыва (преимущественно в области структурных дефектов), и из мелко раздробленных частиц, образовавшихся в контактных зонах, где преобладают напряжения сдвига.

Действительный характер хрупкого разрушения объясняет в значительной мере расхождения между известными энергетическими теориями. Энергетические затраты на дробление силами сжатия или ударов состоят из двух компонентов, первый из которых подчиняется закономерностям хрупкого объемного разрыва, второй — измельчению с большой вновь образованной поверхностью продуктов дробления. И то и другое характерно для реальных явлений хрупкого объемного измельчения и выражается законом акад. П.А. Ребиндера
Хрупко-пластические свойства горных пород и породообразующих минералов

где Aоб — полная работа разрушения; g — удельная энергия упругопластических деформаций; V — объем разрушенного материала; х — энергия образования единицы новой поверхности; Sи — вновь образованная поверхность.

С физической точки зрения процесс разрушения, который имеет место при проведении испытаний механических свойств горных пород 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 изменения состояния и физических свойств поверхностных слоев в области сосредоточенно-контактного динамического нагружения испытываемой породы, угля или минерала разработан метод повторных ударов.

Метод касается нагружения, деформаций и разрушения при локализованном приложении внешних сил, когда в зоне контакта бойка с образцом создается напряженное состояние, приближающееся к всестороннему сжатию. Метод позволяет использовать известный прибор Шора, применяемый для испытаний твердости металлов и некоторых других веществ по принципу "упругого отскока". При испытаниях методом повторных ударов боек после первого удара сбрасывают в то же место вторично, затем в третий раз и т.д. Высота упругого отскока при этом изменяется в зависимости от физических свойств и реакции испытуемой породы или минерала (контактное уплотнение или разрушение). Когда высота отражения после некоторого числа ударов становится стабильной или незначительно отклоняется от средней величины, повторные удары прекращают. Число ударов N в одну точку составляет обычно 8—20.

Мерой хрупкости и пластичности служит величина

где Tш пр — предельное значение твердости (наибольшее при уплотнении или наименьшее при контактном разрушении) после повторных ударов; Tш и — соответственно начальное (минимальное в первом случае и максимальное во втором) значение твердости.

Величина К может быть положительной (Купл) или отрицательной (Кразр). Положительные значения отражают условные значения динамической пластичности, отрицательные — высокую динамическую хрупкость. Низкие значения Купл свидетельствуют о приближении к хрупкости (соответственно пониженной пластичности) породы или минерала. Испытания производят в ряде точек поверхности образца породы или минерала по определенной сетке. Вычисляют средние значения. Типичные кривые динамического контактного 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 минералов, полученные методом повторных ударов, изменяются для пород от +700 до -43, а для минералов от +800 до -74.

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

Метод повторных ударов с измерениями упругого отскока использован в шахтных условиях Донбасса Н.Г. Русаковым (Донецкий политехнический институт). Для испытаний в массиве использован пружинный молоток конструкции Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций (ЦНИИСК), разработанный 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 образованная 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 определениях 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, соответственно, 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 небольшого 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. Одновременно испытывались 6 проб углей. Объем каждой (после сокращения по правилам опробования) составлял 20 см3. Исходная крупность угля 5/14 мм.

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

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

Необходимо иметь в виду, что все динамические методы измельчения, в том числе способ толчения, дают характеристики пород, существенно отличающиеся от значений статической прочности, в том числе от величины Rсж/10 (значения Rсж 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 по динамическим прочностным характеристикам горные породы разбиты на 5 групп и 14 подгрупп. Для самых хрупких и слабых пород и углей динамические коэффициенты 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 зависящих от прочностных свойств, показателей хрупкости пород и углей. Предпосылкой к этому было предложение, что мерами хрупкости могут служить отношения удельной работы, затраченной на измельчение ударно-действующими силами (или иной характеристики динамической прочности), к прочностным показателям, полученным при статическом нагружении. В качестве статической характеристики сопротивляемости разрушению принят предел прочности пород при одноосном сжатии Rсж, в качестве критерия динамической прочности — предусмотренный ГОСТом. 21153.1—75 коэффициент крепости fдии. Значения характеристик хрупко-пластических свойств некоторых пород и углей, определяемых отношением flby/Rсж, 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 доступность критериев и методик. Характеристики Rсж, Rр для преобладающего числа пород и углей дают непосредственно испытания образцов полуправильной формы, выполняемые методами ИГД им. А.А. Скочинского.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна