Влияние скорости нагружения на прочностные и деформационные характеристики горных пород в условиях одноосного напряженного состояния

12.11.2019

При существующих способах механического (ударного, взрывного, импульсного) разрушения пород, а также при возникновении внезапных выбросов угля, породы или газа и горных ударов скорости деформации изменяются в пределах 4—6 десятичных порядков, (10в-2/10в4 с-1), а нагружение носит динамический характер.

Сопротивляемость горных пород деформациям и разрушению как реакция на внешние воздействия находится в зависимости от параметров нагружения. Изменение скорости воздействия при прочих равных условиях сопровождается определенным изменением технологических показателей процесса разрушения пород.

К настоящему времени накоплен значительный объем экспериментальных данных и результатов исследований горных пород при различных скоростях нагружения. Эти исследования проводились как в связи с конкретными технологическими задачами, так и с целью изучения механизма деформации и разрушения пород. При этом разрабатывались разнообразные методики и испытательно-измерительная аппаратура.

Существующие методики и аппаратура для испытаний металлов или других твердых материалов не всегда применимы к горным породам. Как правило, исследования горных пород при различных режимах нагружения направлены на изучение деформационно-прочностных свойств, определяющих устойчивость или разрушаемость пород в условиях различных технологических операций горных работ. Поэтому методы испытаний должны обеспечивать наиболее полную информацию о процессах деформации и разрушения пород при различных скоростях нагружения.

Значительный разброс результатов испытаний чаще всего объясняют неоднородностью структуры и разнообразием минералогического состава горных пород. Однако, как показывает анализ, причиной разброса могут явиться и сами методики испытаний, конструктивные особенности испытательных устройств, схемы нагружения, форма и размеры образцов, качество их подготовки и др.

Для получения сопоставимых результатов механического испытания образцов при разных скоростях воздействия проведены исследования оценки влияния указанных факторов на определяемые показатели свойств пород и предложены методики испытания образцов на одноосное сжатие и растяжение при различных скоростях деформации. В их основу положен принцип составного стержня, позволяющий независимо от диапазона изменения скорости деформации соблюдать идентичность условий испытаний образцов одинакового размера, что способствует повышению точности результатов, Их воспроизводимости.

По этим методикам выполнены исследования при скоростях деформации статического и динамического нагружения в широком диапазоне пределов прочности пород (15/180 МПа). Испытаниям подвергались образцы габбро, песчаников, аргиллита, известняка и антрацита, существенно отличающихся по физико-механическим свойствам, структуре и минеральному составу.

В частности, экспериментальные данные, полученные при скоростях деформации от 50 до 1,2*10в3 с-1, показывают, что общая тенденция, характеризующая изменчивость прочности горных пород при одноосном сжатии и растяжении от скорости деформации в указанном диапазоне может быть представлена эмпирическим уравнением, выражающим зависимость отношения динамической прочности к статической Rд/Rст в функции е:

где а и b — постоянные коэффициенты для каждого вида горной породы.

Значения индексов корреляции составляют 0,89-0,98 и свидетельствуют о достаточной тесноте связи между прочностными показателями горных пород при одноосном нагружении и скоростью деформации. Кроме того, как видно из функциональной зависимости (5.5), пределы прочности как при сжатии, так и при растяжении для всех испытанных пород возрастают с увеличением скорости деформации е.

Вместе с тем интенсивность роста показателей прочности заметно изменяется при переходе от одного типа пород к другому, а также в разных интервалах скоростей деформации. Наиболее резкое их увеличение наблюдается при переходе от статических нагрузок к динамическим, а при скоростях свыше 200/400 с-1 практически не изменяются. Установлено, что пределы прочности испытанных горных пород при увеличении скорости деформации от 10в-3 до 10в3 с-1 возрастают в 2,2/4,2 раза при сжатии и в 5,2/6,7 раза при растяжении.

Приведенные данные характеризуют прочность пород при одноосном нагружении, что является только первым приближением к напряженному состоянию пород в реальных условиях. Поэтому для оценки свойств пород при объемном напряженном состоянии на основе расчетного метода строились огибающие наибольших кругов напряжений Мора.

Статистическая обработка полученных данных показала, что параметры паспорта прочности — прочность при сдвиге, сцепление то.д и углы внутреннего трения также зависят от режима нагружения. В частности, при скорости деформации 10в2/10в3 с-1 сцепление в горных породах увеличивается в 2—2,5 раза, а углы внутреннего трения уменьшаются на 25—30 % по сравнению с их статическими (стандартными) значениями. Эти зависимости можно описать корреляционными уравнениями:

где то.ст и фо.ст получены при статическом нагружении, т.е. в стандартных испытаниях.

Таким образом, сцепление и угол внутреннего трения как показатели прочности и устойчивости пород зависят не только от их физических свойств, но и от режимов нагружения. Другими словами, существуют предельные значения сцепления и угла внутреннего трения горной породы, соответствующие предельным статическому и динамическому режимам нагружения.

Для практических целей реальная огибающая к наибольшим кругам напряжений Мора может быть аппроксимирована ломаной линией. Учитывая, что наибольший интерес представляют предельные состояния породы при нормальных напряжениях, близких или превышающих Rсж.ст, огибающую тд (t) - f[о(е)] на отрезке о > Rсж.ст можно аппроксимировать прямой линией:
Влияние скорости нагружения на прочностные и деформационные характеристики горных пород в условиях одноосного напряженного состояния

где параметры паспорта прочности то.д и фд являются функциями режима нагружения (5.6).

Деформационные характеристики горных пород при различных режимах нагружения образцов определялись по диаграммам "осевое напряжение — деформации". Анализ этих диаграмм как при сжатии, так и при растяжении раскалыванием цилиндрических образцов показывает наличие нескольких стадий деформирования с разными зависимостями a = f(е) и общие тенденции их изменения. На достаточно большом участке изменения напряжений и деформаций связь между ними имеет линейный характер, и образцы проявляют упругие свойства, а скорость деформации практически не влияет на положение кривых о = f(е). Продольные и поперечные деформации изменяются равномерно при увеличении напряжения. С дальнейшим ростом напряжения нарушается равномерность роста деформаций, особенно поперечных, для которых характерен опережающий рост по сравнению с продольными. На вид кривых a = f(е) скорость деформации существенного влияния не оказывает. Некоторое увеличение крутизны участка упругого деформирования, уменьшения общих деформаций, а также повышение предельных (разрушающих) напряжении соответствуют более высоким скоростям воздействия при испытаниях.

Модули упругости и коэффициенты поперечных деформаций вычислялись на линейных участках диаграмм a = f(е). Данные показывают, что как при сжатии, так и при растяжении в диапазоне скоростей деформации от 50 до 1,2*10в3 с-1 модули упругости и коэффициенты поперечных деформаций в пределах известного разброса данных (10/20%) остаются практически постоянными. Однако их величины при динамическом нагружении в указанном диапазоне е превышают значения при стандартных испытаниях. Так, отношение Eсж.д/Есж.ст для песчаников, габбро и аргиллита составляет 1,55/1,7, а для известняка и антрацита — 1,25т 1,35.

Наибольшее увеличение коэффициента поперечных деформаций наблюдалось у антрацита — 2,3 раза, а наименьшее — 1,1 у известняка. Для аргиллита отношение vсж.л/vсж.ст составило 1,4, песчаников и габбро — 1,5/1,65.

Анализ данных выполненных опытов, а также систематизация опубликованных позволили обобщить имеющиеся результаты влияния режимов нагружения на прочностные и деформационные показатели свойств горных пород.

Для удобства сопоставления значения прочности Rсж.д, Rр.д и модуля упругости Eсж.д, Ер.д горных пород при сжатии и растяжении при любой скорости деформации отнесены к значениям этих показателей Rсж.ст, Rр.ст и Eсж.ст и Ер.ст при скорости статического деформирования е = 10в-3 с-1.

В результате получены единые закономерности изменения прочности и деформируемости горных пород (по 26 разновидностям) при сжатии и растяжении в диапазоне скоростей от реологического е = 10в-9 с-1 до динамического е = 10в4 с-1 нагружения, которые описываются эмпирическими зависимостями вида

Постоянные коэффициенты а, b, с, d, индексы корреляции и их стандартные ошибки для различных показателей свойств сведены в табл. 5.1.

Таким образом, зная значения Rсж(р).ст и Есж(р).ст горных пород, определенные при стандартной скорости деформации, можно вычислить значения Rсж(р).д и Есж(р).д этих же пород при любой другой скорости деформации, ограниченной диапазоном 10в-9/10в4 с-1 по уравнениям (5.7).

Установленные обобщенные закономерности изменения характеристик прочности при сжатии и растяжении, а также модуля упругости с достаточной для практики точностью позволяют оценивать их значения при различных скоростях нагружения по величинам пределов прочности и модулей упругости, определяемым известными методами при стандартном режиме нагружения. Данные закономерности могут быть рекомендованы при решении различных горнотехнологических задач.

На основании подобных зависимостей устанавливаются не только характеристики развития деформаций и разрушения пород во времени. Эти закономерности важны также для разработки средств и методов обеспечения заданного временного режима нагружения пород, например, для управления разрушением массива при импульсном воздействии, для расчета эффективности разрушения породоразрушающим инструментом и др.

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