27.03.2020
Один из самых популярных видов по типу установки – это подвесная раковина. Она монтируется прямо к стене при помощи специальных...


27.03.2020
Деревянные дома часто повреждаются от повышенной влажности, поэтому домовладельцы вынуждены иногда ремонтировать фундамент здания....


26.03.2020
Полноценную жизнь современного человека уже невозможно представить без использования гаджетов. Ноутбуки и смартфоны, планшеты и...


25.03.2020
Сегодня колодцы — это самый распространенный источник воды в загородном водоснабжении дачных участков и частных домов. А чтобы...


25.03.2020
В последнее время жители крупных городов начали менять свое отношение к гламуру. В моду пришло спокойствие, размеренность,...


25.03.2020
Русский язык не зря называют богатым – в нем более двухсот тысяч слов. Однако среднестатистический россиянин активно использует в...


Определение прочности, упругих и других характеристик горных пород в массиве

14.11.2019

Для определения прочности горных пород в массиве разработан ряд методов, в том числе основанные на учете макродефектов, геофизические, акустическо-механический, по внедрению штампа, разрушением блоков, расчетные.

Метод, основанный на учете макродефектов сводится к изучению корреляционной связи между акустическими и прочностными характеристиками горных пород. Для идеально твердого тела, учитывая его дискретное строение, можно обосновать связь между пределом прочности на сжатие и скоростью прохождения продольных волн исходя из физики разрушения пород и распространения в них упругих волн.

Связь между пределом прочности на сжатие однородного материала, He содержащего дефектов структуры, и скоростью распространения продольных волн описывается уравнением типа

где R — предел прочности на одноосное сжатие; р — плотность материала; b — параметр, выражающий нелинейность силы взаимодействия с расстоянием; спр — скорость продольных волн.

Поры и трещины в каждом элементарном объеме уменьшают силы взаимодействия между монолитными отдельностями, что в конечном счете предопределяет степень связей на единицу площади и, следовательно, снижает прочность горных пород. Нарушение сплошности создает благоприятные условия для развития сложного напряженного состояния в теле концентрации напряжений на границах дефектов, появления остаточных напряжений.

В практическом плане все дефекты в горных породах можно условно разделить на две группы — микродефекты, протяженность или размеры которых меньше обычных размеров образцов, испытываемых в лабораторных условиях (пористость, микротрещиноватость, неоднородность распределения минералов по объему и др.) и вторая группа — макродефекты, к которым относятся пустоты, инородные включения, слоистость, значительно развитые кливаж, трещиноватость и т.д. Они имеют размеры больше размеров образцов или отдельностей. Расположение дефектов в горной породе может быть различным, в одном случае макро- и микродефекты расположены хаотически, в другом случае дефекты характеризуются своей направленностью (например, слоистость системы параллельных кливажных трещин).

Прочностные свойства массива можно определить, если известна прочность образца и найден закон ее изменения в зависимости от макродефектов, т.е. выявлено влияние масштабного фактора.

В случае хаотического расположения дефектов, согласно статистической теории прочности, зависимость влияния размеров исследуемых тел на прочность выразится формулой:

где Rсж и Rсж0 — средние прочности образцов разных размеров; а, b и а — константы, зависящие от свойств материала и вида испытаний (a + b = 1; а < 1); V0, V — объем породы в образце и массиве.

Минимальная прочность при V — 00 принимается за прочность в массиве. Тогда
Определение прочности, упругих и других характеристик горных пород в массиве

Основным отличием пород с ориентированной трещиноватостью от пород, содержащих только хаотические дефекты, является зависимость всех коэффициентов в формуле (10.2) от величины углов а между прикладываемыми силами и поверхностями ослаблений. При наличии в породах одной системы ориентированных дефектов максимальная прочность при сжатии будет при а = 90° и близкая к ней при а = 0°. Минимальная прочность будет при некотором значении угла акр, величина которого зависит от прочностных показателей отдельностей породы и от коэффициента сцепления по трещинам. Обычно этот угол близок к 15°.

Скорость продольной волны и ее затухание также зависят от дефектности горной пароды. Чем больше объем V испытываемой породы, тем меньше ее прочность спр. С увеличением объема наблюдается затухание волн.

Следовательно, если знать закономерности влияния дефектности строения горной породы на прочностные и акустические параметры, то можно определить статическую прочность горных пород в массиве акустическим методом.

Для проверки высказанных положений было изучено влияние количества трещин и угла их наклона на прочность при сжатии и скорость продольной волны для пяти типов горных пород (габбро, мрамор, песчаник, известняк, алебастр). Установлено, что прочность и скорость волны в зависимости от количества трещин изменяются аналогично, а в зависимости от угла их наклона неодинаково. Если число систем трещин превышает 3—5, то можно говорить о квазиоднородном массиве, в котором направление трещин на указанные свойства не влияет. В этом случае расчеты можно вести только с учетом количества трещин.

Математическая обработка полученных результатов, проведенная В.П. Бородиным, позволила установить взаимосвязь между прочностью на сжатие, скоростью продольной волны и количеством трещин n:

где Rсж0, спр0 — прочность на сжатие и скорость продольной волны в опорном (базовом) образце (без трещин); Rсжм, спрм — соответственно в исследуемом объеме (в массиве).

Для сульфидных руд Тал нахского месторождения опытным путем определены Rсж и спр0 на образцах (150 определений) и в массиве (16 определений). Размеры ребер, испытываемых в шахтных условиях призм, находились в пределах 31—86 см. Результаты испытаний и расчетные оказались близкими (табл. 10.1). Несколько повышенные значения расчетных величин прочности можно объяснить тем, что в (10.3) из всех микродефектов учитывается только трещиноватость.

Предлагаемая методика справедлива для квазиоднородного массива, в котором число систем трещин превышает 3—5, и заключается в следующем. Для представительной группы образцов одной литологической разновидности, отобранных из района будущих натурных исследований, определяются в лабораторных условиях прочность и скорость продольной волны по обычным методикам. Затем в массиве, для которого необходимо найти прочность, проводятся акустические наблюдения по методике прозвучивания и определяется скорость продольной волны. Прочность в массиве вычисляется по установленной закономерности.

Количественная связь между скоростью продольных волн и пределом прочности на сжатие по многочисленным данным зависит от типа пород и методов получения их характеристик.

В целом о взаимосвязи скорости продольных волн и предела прочности на сжатие можно судить по рис. 10.1.

Метод механических испытаний различных объемов породы может быть, осуществлен при оконтуривании участка массива щелями, чтобы получился целик определенных размеров. Целик может иметь связь с массивом или по основанию или по задней грани, в зависимости от поставленной цели. Размеры целика принимаются в зависимости от размеров и возможности нагружающих устройств. В верхней щели монтируется нагружающее устройство (обычно гидравлические домкраты), посредством которого производится нагружение этого целика вплоть до его разрушения.

Для определения предела прочности на сжатие используется схема, когда оконтуренный целик связан с массивом только по основанию и отсутствуют сдвигающие усилия.

При испытании целиков пород на срез испытуемый участок должен быть связан с массивом по задней стенке.

Акустикомеханический метод может быть использован для определения прочности как образцов пород, так и массива.

При любом виде нагружения, даже в медленном, в нагружаемом теле возникает волна напряжений со скоростью звука, распространяющейся от контакта соприкасающихся тел. После соприкосновения тел и прохождения воли напряжений, дальнейшее нагружение может происходить по разному. В случае, когда время приложения нагрузки велико по сравнению с временем прохождения волны, напряжения в телах успевают распространиться по всему телу и распределиться более или менее равномерно. При быстрых нагрузках, когда время приложения нагрузки меньше или соизмеримо с временем прохождения волны по телу, напряжения в теле распределены неравномерно. При этом большую роль, кроме времени действия нагрузки, играет интенсивность ее нарастания, но так как при любом виде нагружения происходит смещение частиц, имеют место и силы инерции. При малой скорости смещения частиц (интенсивность нагружения невелика) ускорение частиц невелико, поэтому величина инерционных сил незначительна. При больших скоростях нагружений частицы имеют значительные скорости и ускорения, поэтому возникают значительные инерционные силы. Чем больше общая масса возбужденных частиц, и чем выше их ускорение, тем больше величина действующих инерционных сил.

Следует заметить, что при любом виде нагружения кроме инерционных сил приходится преодолевать силы, связанные с упругостью, вязкостью, трением между частицами и другими свойствами тел.

Доля участия каждой из этих сил в общем балансе различная и зависит от физико-механических свойств нагружаемых тел, их размеров и режима нагружения. Так, при малой скорости нагружения волновые явления и силы инерции не являются определяющими, а при большой основную роль играют волновые процессы и связанные с ними силы инерции.

Учитывая то, что свойства тел это не что иное, как проявление реакции тел на внешние воздействия, можно предположить о возможности общего метода для любых динамических способов нагружения, который позволит количественно отличать различные виды нагружения. Таким методом, как показали исследования, является акустико-механический, который может быть использован не только для определения состояния, но и для определения упругих и прочностных свойств пород.

Теоретически вопрос определения прочностных свойств горных пород при динамическом нагружении с использованием акустики исследован мало и аналитических зависимостей между этими свойствами практически не найдено.

Чтобы показать возможность существования этих связей, рассмотрим нагружение абсолютно упругого тела цилиндрической формы равномерно распределенной нагрузкой по одному из торцов. Если тело другим торцом оперто на неподвижную жесткую опору

где о — напряжение в стержне; спр — скорость продольной волны; v' — скорость частиц.

С.П. Тимошенко, анализируя эту формулу доказывает, что "если скорость частиц v' при нагружении превысит некоторый определенный предел, зависящий от механических свойств материала стержня, то в нем появляются остаточные деформации, даже если масса ударяющегося тела и будет очень мала".

Такое нагружение хрупких тел (например, горных пород) при превышении для данной породы скорости нагружения сверх допустимой приведет к их разрушению.

Заменяя р в формулу (10.4) его значением из формулы для определения модуля упругости для стержня получим

Из формулы (10.5) следует, что скорость частиц при динамическом нагружении зависит от приложенных напряжений, скорости продольных волн и модуля упругости материала. Однако напряжения, возникающие при ударе в свою очередь зависят от других свойств материала (инерционных, вязкости), а также от времени и скорости нагружения, поэтому в общем виде о = f(Е, t, u, р, с). Найти эту зависимость можно лишь в случае, если известны параметры нагружения и свойства среды.

Поскольку реальные тела обладают и вязкостью и упругостью, а также учитывая, что в процессе динамического нагружения большую роль играют силы инерции, то для установления взаимосвязи между акустическими параметрами массива, скоростью деформирования и напряжением принята упруго-вязко-ннерционная модель. В целях упрощения решения задачи примем, что все три вида сопротивлений (упругий, вязкий, инерционный) действуют одновременно, параллельно и независимо друг от друга.

После решения системы уравнений деформирования тела с применением формул волновой механики получена зависимость

где u — динамический коэффициент вязкости, Па*с/м2*10в7; р — плотность породы, Па*с2/м2*10в7; спр — скорость продольной волны, м/с; V — скорость деформирования, м/с; k — коэффициент динамичности для статических нагрузок k=1.

Если в формуле (10.6) значение v является критическим для данного типа породы, то напряжения также будут критическими (предельными), т.е. разрушающими.

Динамический коэффициент вязкости

где а0 = 1/l2-l1 In A2/A1 — декремент затухания l1 и l2 — базы прозвучивания; A1 и A2 — амплитуды сигнала.

Все составляющие формулы (10.6) определяются на образцах или в массиве опытным путем. спр — скорость продольной волны, определяется сейсмоакустическим методом, для осуществления которого разработана аппаратура в искробезопасном исполнении.

Чтобы определить декремент затухания продольной волны можно использовать ультразвуковую аппаратуру УКБ-1м (для образцов), а для испытаний в шахтах, опасных по газу и пыли, искробезопасную аппаратуру АИВ, разработанную ИГД им. А.А. Скочинского. При определении затухания продольных волн в образцах необходимо, чтобы a/Л больше 1, где а — радиус (наименьший размер) образца, Л — длина продольной волны.

Длина образца должна быть больше длины волны. Амплитуда сигнала замеряется при неизменных усилении и контактных условиях на двух образцах, изготовленных из одной и той же разновидности породы. Длины прозвучиваемых образцов (значения l1 и l2) должны отличаться друг от друга не менее чем в 3—4 раза.

Амплитуда сигнала на всех базах должна измеряться при постоянном уровне усиления в сантиметрах для приборов, регистрирующих сигнал на ленте или трубке осциллографа, а в приборе АИВ по показаниям милливольтметров.

Методика определения критической скорости включает принцип динамического внедрения пуансона.

О результатах определения предела прочности на сжатие акустико-механическим методом можно судить по рис. 10.2.

К расчетным относится метод, предложенный М.М. Протодьяконовым и С.Е. Чирковым. В его основу положен масштабный фактор, принцип уменьшения вариаций свойств в образцах больших размеров и огибающая предельных кругов напряжений Мора.

Порядок определения прочности следующий:

1. В лабораторных условиях методом раскалывания и сжатия определяется предел прочности на сжатие двух групп образцов из одного блока, размеры которых по возможности существенно различны.

2. Определяются среднеарифметические значения прочности, среднеквадратичные ошибки и вариации значений прочности.

3. По средним расчетным данным строятся огибающие кругов Мора и определяются их параметры а и тmax. Из двух значений а и тmax определяется среднеарифметическое, которое и используется для расчетов кривой масштабного фактора и прочности блока в массиве.

Метод динамического внедрения штампа основан на использовании формулы (10.6) при замене р, спр и u данными по жесткости и вязкости, определяемыми по нагрузочной кривой, связывающей силу и скорость деформирования породы при ударю индектора о породу с различной скоростью.

В этом случае

где С — условный показатель жесткости, Па*с; n — условный показатель вязкости, Па с; cкр — критическая скорость деформирования (соударения штампа и породы), м/с. k1 — 0,0165 — коэффициент, учитывающий напряженное состояние под штампом и масштабный фактор; Rсж — предел прочности на одноосное сжатие.

Показатели жесткости и пластичности определяются из графика P = f(v), полученного путем динамического внедрения штампа в массиве при разных скоростях соударения.

Составляющие формулы (10.7) определяют с помощью пружинного прибора ДП-7 (рис. 10.3).

Прибор ДП-7 по принципу работы аналогичен прибору ДП-8 и состоит из рамы 1, на которой с помощью больших плоских пружин 2 крепится ударник 3 с индентором 4 и измерителем глубины внедрения 5.

Ударник* с индентором передвигается внутри рамы без трения и центрируется большими плоскими пружинами. Взвод пружин для производства удара по горной породе осуществляется рукояткой 6, а фиксация пружин и натянутом состоянии осуществляется винтом 7, расположенным на движке 8, который может перемещаться и фиксироваться на поворотной линейке с интервалом 5 мм.

Отсчет величины внедрения индентора в горную породу осуществляется индикатором часового типа 9, соединенным через флажок 10 с толкателем 11 В связи с том, что флажок является неравноплечным (отношение плеч 2/1), показания, снимаемые с индентора часового типа, следует удваивать.

В средней части ударника находятся малые плоские пружины 12, причем одни их концы прикреплены к ударнику, а другие имеют дополнительный груз 13 и находятся в свободном состоянии. Через отверстия малых плоских пружин проходят два стержня 14 и 15, один из которых закреплен за подвижную большую пружину, а другой — за неподвижную большую пружину. Оба стержня имеют указатели перемещений 16 и 17.

Принцип действия прибора следующий.

Вручную производятся натяжение пружины 2 на определенную величину, затем прибор прижимается к поверхности забоя. Все указатели перемещений устанавливаются в нулевое положение, после чего производится освобождение пружины со взвода путем нажатия на спусковой крючок. Груз с индентором под действием пружины перемещается в сторону забоя и как только индентор коснется плоскости забоя ударник 3 затормозится, а находящийся в нем подвижней груз 13 будет перемещаться по инерции в сторону забоя вместе с указателями перемещений 16 и 17, сжимая малую пружину 14, отсчет перемещения груза 13 ведется по делениям, нанесенным на стержнях 14 и 15. При этом указатель перемещений 16 зафиксирует перемещение груза h1 без учета отскока индентора, а указатель перемещений 17 — с учетом отскока h2.

Внедрение индентора в породу фиксируется индикатором часового типа 2 через систему толкателя 3 и флажка 10.

Таким образом на приборе фиксируется три показателя; величины перемещений подвижного груза с учетом и без учета отскока и глубина внедрения штампа.

В момент разрушения горной породы под индентором отскок груза 13 практически отсутствует и показания перемещений подвижного груза с учетом отскока и без учета отскока становятся близкими, а в некоторых случаях даже равными.

Для определения энергии удара индентора о забой производится тарирование пружины при различных углах наклона прибора к горизонту.

Теперь, зная глубину внедрения индентора в породу и энергию удара, можно определить силу удара. По полученным значениям силы, скорости удара и глубины внедрения строят график, связывающий силу, отнесенную к площади штампа, и скорость (рис. 10.4), а также и нагрузочную характеристику породы, связывающую силу и деформацию.

Для получения различных значений силы и внедрения, натяжение пружины изменяется с интервалом 5 мм от 5 мм до максимальной (в момент выкола породы под индентором). Удары наносятся каждый раз в новую точку до тех пор, пока не произойдет первый выкол, при котором отскок индентора минимальный и показания перемещения груза по регистраторам 16 и 17 равнозначны. При каждом натяжении пружины производится несколько ударов в зависимости от требуемой точности определения и разброса получаемых данных.

По графику (см. рис. 10.4) находят все три значения для расчета предела прочности горной породы на одноосное сжатие.

Для определения G учитывают упругую часть кривой сила — скорость (отрезок OA) и определяют ее угол наклона к оси абсцисс. Для нахождения n принимают часть кривой, где сказывается влияние пластических остаточных деформаций (участок кривой AB). Эта часть характерна тем, что деформации растут не пропорционально напряжениям, а точка В соответствует h1 = h2. Точка А — характеризует начало пластических деформаций, а точка В выкол горной породы под штампом, при этом v = vкр. Соединив точки А и B получают прямую, угол наклона которой определяет значение n.

Сейсмический метод определения скорости распространения упругих волн основан на многоканальной записи сейсмограмм. Для этого в исследуемом массиве пробуривают серию скважин, расположенных на определенном расстоянии между собой; в одной из скважин размещается источник возбуждения сигнала (заряд BB или ударное механическое устройство), а в остальные приемники колебаний. Возбуждаемые упругие колебания фиксируются сейсмоприемниками, размещенными в скважинах. Сигнал передается по проводам на сейсмостанцию, где он записывается на бумагу или магнитную ленту. Затем производится расшифровка сейсмограмм и строятся годографы, по которым определяется скорость волн.

Достоинством этого метода является возможность выделения из сейсмограмм различных типов волн, определения скорости их распространения и затухания.

Этот метод применяется при геофизических исследованиях больших массивов пород.

В качестве регистрирующей аппаратуры кроме сейсмостанций для сравнительно небольших баз прозвучивания применяются различные счетчики времени, которые фиксируют время первого вступления продольной волны на электронном цифровом табло, или с помощью стрелочных приборов.

Ультразвуковой метод применяется в основном для прозвучивания образцов горных пород, что объясняется большим затуханием ультразвуковых колебаний (1—2 м).

Недостатками ультразвукового метода является необходимость иметь хороший акустический контакт между датчиками и массивом, а также малая база прозвучивания.

Акустическая жесткость, динамические модуль упругости и коэффициент Пуассона могут определяться в массиве по скорости распространения упругих волн по известным классическим формулам.

Из множества методов определения трещиноватости массива горных пород заслуживает внимания акустический, который еще не нашел достаточного отражения в публикациях.

Акустический показатель трещиноватости

где спрм — скорость продольной волны в массиве; спр0 — скорость продольной волны в образце.

Скорость продольной волны определяется в лабораторных условиях на образце пород в виде цилиндра или куба в соответствии с ГОСТом.

Скорость продольной волны в массиве определяется с учетом анизотропии пород в массиве и в образце, т.е. направление прозвучивания в массиве и в образце должно совпадать.

Акустический показатель трещиноватости определяется достаточно просто и был использован для определения параметров буровзрывных работ (расход BB, коэффициента сближения скважин и выхода негабарита) в зависимости от свойств пород.

По результатам экспериментальных работ, проведенных совместно с И. Чогошвили, построен график (рис. 10.5), на котором по оси ординат отложены удельная анергия BB а, коэффициент сближения скважин kобл, выход негабарита Ви, а по оси абсцисс акустический показатель трещиноватости А. Из графика видно, что между параметрами БBP и акустическим показателем трещиноватости существует взаимосвязь.


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