Деформування і руйнування гірських порід за межею міцності

У процесі навантаження породний зразок проходить ряд послі-довних напружено-деформованих станів від нульового до гранич-ного. У найпростішому випадку при одноосному стисненні (розтя-гуванні) одному компоненту напруги відповідає один компонент відносних повздовжніх деформацій: Досягти граничного стану () можна двома шляхами: у режимі заданих нава-нтажень (РЗН) і в режимі заданих деформацій (РЗД). У першому випадку на пульті преса задають послідовно з певним інтервалом навантаження і фіксують в автоматичному режимі відповідні прирости деформацій. Досягши граничних навантажень Р_гр почи-нають руйнуватися перші структурні зв'язки і потенційна енергія, накопичена у випробувальній машині, викликає лавиноподібне руйнування зв'язків, які залишилися, що приводить до руйнування зразка.

Інша картина руйнування спостеріга-ється при випробуваннях зразків у режимі заданих деформацій. У цьому випадку ви-пробувальна машина повинна бути сконст-руйована так, щоб була можливість задава-ти деформацію, що строго фіксується, з кроком g і вимірювати відповідні їй зміни навантаження Р.

Характерний графік деформації зразка гірської породи ОАВ приведений на рис. 1. При деформації після досягнення межі міцності зразок знижує свій опір: на ділянці деформування DE опір зразка падає від точки А до точки В. Енергія, необхідна для деформування зразка на цій ділянці, рівна площі АВЕD. На початку розглядуваної ділянки (точка А) опір зразка і сила пресу були рівними між собою. При цьому напруженні частини пресу виявля-ються пружно деформованими.

Енергія пружної деформації накопичується в колонах преса, в зігнутих траверсах, у стиснутому маслі гідроциліндрів. При змен-шенні відстані між плитами пресу на величину DЕ створюване їм зусилля зменшиться на величину dР. При цьому, якщо прес недостатньо жорсткий, зусилля знизиться до точки F і потенційна енергія, що виділилася при цьому, рівна площі АFED, перевищить енергію, необхідну для руйнування зразка на ділянці DЕ. Надлишок енергії, рівний площі АFВ, піде на прискорення навантажуючих частин преса, процес руйнування стає некерованим і супрово-джуватиметься динамічними явищами (ударом, розльотом оскол-ків).

Якщо ж прес має жорстку конструкцію і його елементи мало деформуються під навантаженням, то зменшення відстані між плитами викличе зниження зусилля преса до точки С, лежачої нижче характеристики зразка. Енергія АСЕD, що виділяється при цьому, менша необхідної енергії руйнування зразка і тому руйну-вання лише за рахунок енергії пружних деформацій пресу неможливе. Для переведення зразка із стану А в стан В необхідна додаткова енергія, яка рівна площі АВС, що підводиться ззовні, наприклад, шляхом підкачки масла в гідросистему пресу.

Таким чином, для отримання позамежних характеристик пород-них зразків необхідно, щоб характеристика пресу була крутішою позамежної частини графіка деформації зразка. Крутизна характе-ристики називається жорсткістю пресу і визначається за формулою:

(1)

де dP – зміна зусилля пресу при зміні відстані між його наванта-жуючими поверхнями на величину dl при інших постійних парамет-рах.

Практика показує, що для отримання позамежних характеристик досить, щоб жорсткість пресу визначалась співвідношенням:

(2)

де F – площа поперечного перерізу зразка, см². Характерний графік позамежного деформування гірських порід приведений на рис. 2.

Крутизна позамежної частини графіка деформації показує схи-льність породи до крихкого руй-нування.

Аналогічно тому, як величина Е в пружній частині домежевої деформації називається модулем пружності, пропонується величи-ну у позамежній частині називати модулем крихкості, або модулем спаду М. У цьому випад-ку породи з М ®0 вважатимуть крихкими, з М ®¥ – пластичними.

Для випробування гірських порід у режимі контрольованого руйнування в умовах об'ємного стиснення зразки випробовують в особливих приладах – стабілометрах, в яких робочим тілом, що створює бічне навантаження, служить рідина, наприклад, трансфор-маторне масло. Загальний вигляд графіка деформування мармуру в об’ємному напруженому стані приведено на рис. 3.

При жорсткому навантаженні гірсь-ких порід виділяють наступні етапи деформації (див. рис. 1.):

I – етап пружної деформації: при-рости осьових і радіальних відносних деформацій на цьому етапі зв'язані коефіцієнтом Пуассона m:

(3)

Збільшення осьових деформацій викликає зменшення об'єму зразка.

II – етап дилатансії: на цьому ета-пі відбувається розвиток тріщин у зра-зку, що супроводжується його розпушуванням, збільшенням об'єму і порівняно швидким збільшенням діаметру; приріст осьових і ра-діальних деформацій зв'язаний коефіцієнтом дилатансії b:

(4)

III – етап еквіволюміальний: на цьому етапі об'єм зразка залиша-ється постійним, а приріст осьових і радіальних деформацій зв'яза-ний співвідношенням:

(5)

Позамежна деформація порід – цілком реальний процес, що має місце в гірських виробках: деформація порідних ціликів, прикон-турного масиву виробок, краєва частина вугілля в лавах і т.п.

Значні дослідження деформації гірських порід за межею міцності були виконані А.Н. Ставрогиним і А.Г. Протосеней, В.В. Виногра-довим.