книги / Физико-механические свойства горных пород

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий сборник посвящен исследованиям физико-механи­ ческих свойств горных пород.

Физико-механические свойства горных пород и полезных иско­ паемых оказывают существенное влияние на многие производст­ венные процессы в различных отраслях промышленности. Эти свой­ ства необходимо учитывать при бурении геологоразведочных, неф­ тяных и газовых скважин, при строительстве тоннелей, каналов и гидростанций, а также различных промышленных сооружений, при проходке стволов шахт и горных выработок, при выемке полезных ископаемых, при управлении горным давлением, при перегрузке и транспортировании полезных ископаемых и пустых пород, при хра­ нении, обогащении и переработке полезных ископаемых.

От физико-механических свойств горных пород существенно за­ висит выбор систем разработки и средств механизации выемки, выбор рациональных режимов работы многих горных машин, рас­ чет устойчивости целиков и бортов карьеров, выбор типов и раз­ меров крепления, типов и размеров дробильных установок и т. п.

Все это подтверждает важность и необходимость изучения фи­ зико-механических свойств горных пород для горной науки.

Внастоящее время в СССР и за рубежом исследованиями фи­ зико-механических свойств горных пород занимается большое число научно-исследовательских организаций.

Вряде организаций созданы специальные лаборатории по ис­ следованию физико-механических свойств горных пород. В неко­

торых вузах начата подготовка специалистов по физике горных

пород.

В дальнейшем в тематических сборниках будут помещены статьи, посвященные не только определению свойств горных по­ род, но и методам искусственного изменения этих свойств для об­ легчения разрушения пород или же повышения их устойчивости. В статьях будут отражены не только вопросы механики горных по­ род, а также связь их свойств с химией, кристаллографией, мине­ ралогией и петрографией. Предполагается не ограничиваться рас­ смотрением горных пород как некой сплошной изотропной среды, а намечено изучение их как несплошных и неоднородных сред. В сборнике будут помещены статьи методического характера, по­

3

I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проф., докт. техн. наук М. М. ПРОТОДЬЯКОНОВ, канд. техн. наук М. Ф. КУНТЫШ

ПЕРЕХОД ОТ КРИВЫХ СРЕЗА СО СЖАТИЕМ К ОГИБАЮЩИМ НАИБОЛЬШИХ КРУГОВ НАПРЯЖЕНИИ МОРА

В период с 1960 по 1963 г. в лаборатории исследования физи­ ко-механических свойств горных пород ИГД были проведены срав­ нительные экспериментальные исследования методов построения паспортов прочности горных пород.

Для исследования были выбраны шесть пород—известняк, габ­ бро, доломит, песчаник, барит-полиметаллическая руда и мраморизованиый известняк.

Для этих пород были определены: предел прочности на сжатие; предел прочности на растяжение; сопротивление срезу со сжатием под углом 20 и 40°; сопротивление пород в условиях объемного сжатия; деформации сплошных и полых образцов при испытаниях соосными пуансонами.

По данным экспериментальных исследований строились пас­ порта прочности горных пород согласно существующим методи­ кам построения ![1—5].

При планировании экспериментов основное внимание уделялось обеспечению таких условий и режимов опыта, которые дали бы возможность сопоставить полученные паспорта. Для этого раз­ меры образцов в опытах на растяжение, сжатие, срез и объемное сжатие принимались одинаковыми; сохранялись одинаковыми ре­ жимы и скорости нагружения.

У всех подлежащих испытанию образцов одинаковой обработке подвергали торцовые поверхности (разрезка кернов алмазным ди­ ском с последующей доводкой торцов на шлифовальном станке).

Прочность на сжатие определялась непосредственным раздав­ ливанием образцов на прессе. Для опыта брались образцы, у ко­

торых отношение — =1,5. Прочность на растяжение находилась

d

путем раскалывания цилиндрических образцов усилиями, прило­ женными по диаметрально противоположным образующим. Испы­ тания на срез производились в срезном приборе с соблюдением

5

точной подгонки образцов к матрицам. Угол среза был принят 20 и 40°. Попытки осуществить срез под углом 60° к направлению сре­ зающего усилия не дали надежных результатов.

Прочность пород при объемном сжатии определялась в зависи­ мости от типа пород при боковых давлениях 02 = 03 = 70-4-1000 ати на установке, разработанной В. С. Вобликовым и модернизирован­ ной нами в области улучшения узлов передачи нагрузки и изоля­ ции образцов от внешней среды.

При испытаниях на установке напряженное состояние образ­ ца, выраженное в главных напряжениях, описывалось формулой

Р

F

где р —гидростатическое давление внутри камеры, определяемое по манометру, ати;

Р —усилие, развиваемое прессом, кГ; 5ШТ—площадь поперечного сечения штока, см2;

F —площадь поперечного сечения образца до деформирова­ ния, см2.

При испытаниях методом соосных пуансонов диаметры образ­ цов изменялись от 30 до 72 мм, высота образцов была принята 15 мм, а диаметры пуансонов 10 и 15 мм, что соответствовало пло­ щади зоны загружения 0,785 и 1,76 см2. Для наклейки датчиков на образец применялся бакелитно-фенольный клей БФ-4. Замер де­ формаций образцов в ненагруженной зоне производился как с по­ мощью кольцевых датчиков, так и с помощью обычных малобазных тензодатчиков ПБ-10-100А Томского завода. Испытания про­ изводились на приборе ПСП-1, а замер деформаций во внешней части образца осуществлялся на установке ПЭТ-30 конструкции ЦНИИТМАШ.

Результаты исследования пород, их характеристика и расчет­ ные величины при испытаниях в условиях объемного сжатия мето­ дом среза со сжатием и соосными пуансонами приведены в табл. 1, 2 и 3.

По результатам экспериментальных исследований строились паспорта прочности. Наряду с этим паспорт прочности рассчиты­ вался по обобщенному уравнению огибающей [6] по данным экспе­ риментального определения <тсж и ор.

Для удобства сопоставления и установления количественных соотношений между зависимостями x= f(a), полученными различ­ ными методами, они показаны на совмещенных диаграммах (рис. 1—5).

Линией / на рисунках показана огибающая к предельным кру­ гам, полученным при испытаниях образцов в условиях объемного сжатия, линией II—кривая среза (кривая, построенная по расчет­ ным величинам нормальных и касательных напряжений в плоско-

6

Т а б л и ц а 1

Размеры образцов и результаты испытания пород в условиях объемного сжатия

7

Таблица 3

Характеристика образцов и результаты испытаний методом соосных пуансонов

8

z

Рис. 3. Зависимости x=f(a) для барит-полиметаллической руды

Г

Рис. 4. Зависимости т= /(а) для мраморизаванного известняка