Пределы изменения прочностных параметров пород угольных шахт Донбасса

 

Прочностные параметры пород зависят от геологических процессов, в результате которых они образовались, а также от трещиноватости, влажности, температуры, пористости и слоистости.

В естественном состоянии пределы прочности при одноосном сжатии σ_сж основных типов вмещающих пород Донбасса следующие: песчаники – 60-180 МПа; алевролиты – 25-100 МПа; аргиллиты – 10-70 МПа; известняки – 40-200 МПа. Для углей – 2,4-35 МПа.

Если нет более точных сведений, рекомендуется принимать

; ; .

Трещиноватость, имеющаяся в массиве горных пород, в зависимости от ее интенсивности, снижает сопротивляемость массива сжатию по сравнению с образцом на 10-80%. Сопротивляемость массива растяжению может быть нулевой при густой сети открытых трещин; может быть снижена на 90-99% по сравнению с образцом при густой сети закрытых трещин и, наконец, быть снижена на 80-95 при микротрещиноватости.

Длительное увлажнение пород, которое часто наблюдается на угольных шахтах, снижает сопротивляемость массива сжатию по сравнению с образцом на 20-70%.

Увеличение температуры и пористости приводит к снижению прочностных характеристик пород.

Слоистость горного массива влияет на его сопротивляемость так, что в направлении вдоль слоистости сопротивляемость сжатию меньше, чем в направлении перпендикулярном слоистости, а сопротивляемость растяжению – наоборот.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое напряжение?

2. Как определяются напряжения при растяжении, сжатии?

3. Как изменяются напряжения при растяжении в зависимости от ориентации сечения?

4. Понятие напряженного состояния в точке.

5. Что представляет собой тензор напряжений?

6. Что такое линейная деформация?

7. В чем заключается закон парности касательных напряжений?

8. Как формулируется закон Гука при растяжении?

9. Виды напряженных состояний.

10. Как определяются касательные напряжения в наклонных площадках при плоском напряженном состоянии?

11. Что такое круговая диаграмма напряженного состояния?

12. Что называют главными напряжениями?

13. Как с помощью круговой диаграммы напряжений определить главные напряжения?

14. Как определяется направление главных напряжений?

15. Круговая диаграмма напряженного состояния при объемном напряженном состоянии.

16. Чему равны наибольшие касательные напряжения?

17. Какие возникают напряжения и деформации при сдвиге?

18. Чему равна потенциальная энергия деформации?

19. В чем заключается природа хрупкого разрушения, разработанная А. Гриффитсом?

20. Что представляет собой кинетическая теория разрушения, разработанная академиком С.Н. Журковым?

21. В чем заключаются теории наибольших линейных деформаций, наибольших касательных напряжений, энергетическая теория прочности?

22. Что такое теория прочности Мора?

23. Способы построения паспорта прочности горных пород?

24. Какие свойства следует называть физико-механическими?

25. Общие понятия о механических свойств горных пород.

26. Какие показатели характеризуют прочность горных пород?

27. Как определяют прочность горных пород методом соосных пуансонов?

28. Как определяется предел прочности при растяжении?

29. В чем заключается метод определения прочности горных пород на разрыв методом раскалывания?

30. Какие схемы испытания применяются при изучении свойств песчаных и глинистых пород при сдвиге?

31. Опишите устройство стабилометров и их назначение.

32. Схемы передачи напряжений на породу в стабилометрах типов А и Б.

33. Определение угла естественного откоса песчаных пород.

34. Необходимые размеры образцов горных пород для исследования их механических свойств.

35. Каким образом определяются прочностные показатели на образцах неправильной формы?

36. В чем заключается метод определения прочностных характеристик с помощью удара шариковым молотком?

Деформационные свойства пород

Деформации в горных породах

 

Горные породы под действием внешних сил меняют свою форму и размеры, т.е. деформируются.

Изменение относительного положения частичек породы, вызывающее изменение объема и формы пород, называется деформацией.

Деформации могут быть неразрушающими и разрушающими.

Неразрушающие деформации изменяют размеры, форму и объем породы без нарушения ее сплошности; разрушающие – приводят к разделению породы на отдельные части.

Если после всестороннего длительного сжатия образец горной породы в некоторый момент времени разгрузить, то часть деформаций, приобретенных под нагрузкой, с течением времени может восстановится. Такие деформации носят название деформаций генетического возврата (от слова «генезис» – происхождение осадочного массива).

Деформацию, появляющуюся в момент приложения нагрузки, называют упруго-мгновенной, а деформацию, которая развивается с течением времени – деформацией ползучести.

При увеличении нагрузок можно наблюдать три области деформации породы: упругую, пластическую и разрушающую. В зависимости от соотношения вида деформаций при сжатии, горные породы подразделяются на упругие или хрупкие (пластическая зона практически не наблюдается), упруго-пластичные (разрушающей деформации предшествует зона пластической деформации) и пластичные (упругая деформация незначительна).

На рисунке 5.1 представлены типичные графики деформаций пород.

Нормальные напряжения в образцах горных пород вызывают изменение их линейных размеров. Деформации в этом случае называются линейными.

Относительное изменение линейных размеров составляет

 

, (5.1)

 

где l – длина ребра деформированного образца, мм;

l_o – длина ребра образца горной породы до деформирования, мм.

Рисунок 5.1 – Типичные графики деформаций пород: 1 – упругой (кварцит); 2 – упругопластической (осадочные породы); 3 – пластичной (мрамор): ОВ и ОВ´ – зона упругих деформаций; В´С и ОС´ — зона пластических деформаций; точки В, С, С´ — моменты разрушения пород.

 

Касательные напряжения вызывают сдвиговые деформации, определяемые величиной угла сдвига грани образца.

Деформационные характеристики горных пород определяют обычно в лабораторных условиях при приложении к образцам нагрузок. Для этих целей используют «мягкие» и «жесткие» испытательные машины, на которых выполняются механические испытания горных пород.

В «мягких» испытательных машинах, в процессе деформирования накапливается большое количество упругой энергии, которая превращается в кинетическую в момент разрушения образца и поэтому разрушение приобретает взрывной характер (например: внезапный выброс породы, горный удар). В «жестких» испытательных машинах, наоборот, это количество энергии невелико и имеется возможность изучать характер деформирования породы за пределом максимальной сопротивляемости (например: процессы деформирования, растянутые во времени).

Для более полного представления о деформационных свойствах горных пород, в качестве примера рассмотрим полную диаграмму деформирования образца горной породы при сжатии (рисунок 5.2).

На диаграмме следует различать:

о-а – участок, характеризующий закрытие пор, трещин (т.е. дефектов породы);

а-в – участок, характеризующий область упругих деформаций (наблюдается линейная зависимость);

в-с – участок, характеризующий область начала возникновения трещин и пластической деформации. Если в точке с снять нагрузку, то процесс остановится и микротрещины закроются;

 

Рисунок 5.2 – Полная диаграмма деформирования образца горной породы.

 

с-d – участок, характеризующий процесс развития образовавшихся трещин. Процесс неустойчивый, лавинообразный характер. Точка d соответствует максимальной сопротивляемости образца разрушению.

d-е – участок, характеризующий уменьшение несущей способности образца. На этом участке наблюдают процесс дилатансии, т.е. увеличение объема образца.

е-k – участок, характеризующий разрушение испытываемого образца.

Таким образом, горные породы не являются идеально упругими или идеально пластическими телами, в результате при их нагружении всегда наблюдается наряду с упругой деформацией, в той или иной степени, пластическая деформация.