книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА "ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ”

А. Н. Ставрогин, Б. Г. Тарасов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА И МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД

Санкт-Петербург «Наука»

2001

С т а в р о г и н А.Н., Т а р а с о в Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. — СПб.: «Наука», 2001. — 343 с., 228 ил.

ISBN 5-02-024942-4

Представлен обширный экспериментальный материал по физическим и фи­ зико-механическим свойствам широкого круга горных пород из различных бас­ сейнов и месторождений России и стран СНГ. В эксперименте моделировались физические и механические условия, возникающие на больших глубинах разра­ ботки полезных ископаемых. Описаны разработанные авторами методы и науч­ но-исследовательская аппаратура, с помощью которых проводились исследо­ вания прочности, деформации и разрушения горных пород, фильтрационные свойства и трещинообразование. Изучено влияние порового давления на механи­ ческое состояние горных пород. Исследования проводились применительно к проблемам горных ударов, внезапных выбросов породы, угля и газа и устойчиво­ сти выработок и скважин на больших глубинах. Исследован фактор времени, скорости нагружения и деформации в пределах 10—12 десятичных порядков. Весь экспериментальный материал обобщен на базе разработанной авторами статистической теории прочности, деформации и разрушения горных пород. Предложена структурная статистическая модель неоднородного деформируемо­ го тела, типичным представителем которого являются горные породы. Получе­ ны критерии ударо- и выбросоопасных пород различного класса. Изучен баланс энергии хрупкого разрушения при широкой вариации жесткости нагружающей системы. Изучена механическая модель системы: разрушающийся образец—на­ гружающая машина с разной жесткостью. Исследовано влияние на прочность и деформацию пути нагружения.

Книга рассчитана на научных работников, аспирантов, инженеров и студен­ тов старших курсов вузов, работающих в области геомеханики и механики гор­ ных пород.

Рец ен зен ты :

руководитель учебного центра ВНИМИ, заслуженный деятель науки РФ, действительный член Академии горных наук РФ,

проф., д-р техн. наук Ф. Н. В О С К О Б О Е В, заведующий кафедрой «Основание и фундаменты» Санкт-Петербургского университета путей сообщения проф., д-р техн. наук А. К . Ч Е Р Н И К О В

ПРЕДИСЛОВИЕ

В предлагаемой книге обобщены представляющие научный ин­ терес результаты экспериментальных исследований, проведенных в Лаборатории физики горных пород и высоких давлений в тече­ ние 40 лет. До 1986 года лаборатория входила в состав Всесоюзно­ го института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). В 1986 году она перебазировалась в Ленинградский горный институт (ныне Санкт-Петербургский государственный горный институт), в состав которого входит и в настоящее время.

Лаборатория участвовала и участвует в решении таких экстре­ мальных проблем в горной промышленности России и бывшего

СССР, как горные удары, внезапные выбросы угля, породы и газа, устойчивость горных выработок на больших глубинах, устойчи­ вость глубоких и сверхглубоких скважин, а также проблем, связан­ ных со строительством промышленных подземных сооружений различного назначения.

Направлением фундаментальных исследований лаборатории яв­ ляется изучение состояния горных пород в широком диапазоне условий. Основные характеристики этих условий и виды исследо­ ваний перечислены ниже.

—Виды напряженного состояния включали одноосное сжатие и растяжение, плоское (двухосное) сжатие и растяжение, растяже­ ние— сжатие, трехосное неравнокомпонентное сжатие. Боковое давление о 2 в опытах достигало 1000 МПа.

—Деформированное состояние исследовалось как в области до предела прочности, так и за ее пределами вплоть до остаточной прочности.

—Влияние путей нагружения (истории изменения видов напря­ женного состояния) исследовалось в условиях пропорционального

(простого) нагружения при вариации параметра С = сг2/ а , от 0 до 1 и в условиях сложного нагружения, осуществляемого преимуще­ ственно по схеме Кармана ст2 = const.

—Скорости деформации изменялись в диапазоне 10— 12 деся­ тичных порядков от ё . = 10~10 с"1 до ё, = 10+2 с*1. Максимальные скорости (ё, = 1 0 +2 с"') приближались к скоростям взрыва, мини­ мальные — к скоростям ползучести. В области ползучести иссле­ довалась долговечность горных пород.

—Влияние порового давления исследовалось в диапазоне изме­

нения давления а р жидкого или газообразного флюида от 0 до

ср= а 2.

—Проницаемость пород для жидкого и газообразного флюидов исследовалась при разных видах напряженного состояния и путях нагружения.

—Баланс энергии хрупкого разрушения горных пород и хруп­ ких модельных материалов исследовался при широкой вариации

з

степени хрупкости пород, жесткости нагружающего комплекса НК (более чем в 1000 раз), величин инерционности НК и разруша­ емого объема РО, акустической прозрачности границ между НК и РО в условиях одноосного и объемного сжатия.

—Явление последействия, связанное с течением деформацион­ ных процессов в горных породах в условиях атмосферы, после то­ го как они испытали необратимую деформацию в условиях трехос­ ного неравнокомпонентного сжатия, исследовалось в атмосфере различных газов при разной степени предварительной деформации

вразных условиях напряженного состояния.

—В связи с устойчивостью стенок глубоких и сверхглубоких скважин исследованы фильтрационные и прочностные свойства деформируемых образцов горных пород, подверженных одновре­ менному действию температуры и давления различных по составу буровых растворов.

Для проведения комплексных исследований в таком широком диапазоне условий в лаборатории был создан парк уникального ис­ следовательского оборудования. Характерной особенностью науч­ ной деятельности лаборатории является то, что все оборудование разрабатывалось силами сотрудников лаборатории.

В деятельности лаборатории можно выделить два основных эта­ па, которые определяются созданием новых поколений экспери­ ментального оборудования.

В период 1964— 1974 гг. основным направлением исследований было изучение предельных состояний горных пород. Важнейшими результатами исследований считаем изучение явления дилатансии при разных видах напряженного состояния, путях нагружений и скоростях деформирования. При изучении этого явления был об­ наружен эффект скачкообразного перехода от коэффициента Пу­ ассона к коэффициенту р, необратимой поперечной деформации за пределом упругости. При этом коэффициент необратимой попе­ речной деформации сохраняет постоянное значение на протяже­ нии процесса деформирования, начиная с предела упругости и вплоть до предела прочности как в условиях пропорционального нагружения при постоянном значении параметра С, так и в услови­ ях сложного нагружения при постоянном уровне бокового давле­ ния с 2. Коэффициент необратимой поперечной деформации р, в отличие от коэффициента Пуассона является монотонной функцией параметра С и бокового давления с 2 и изменяется от не­ скольких единиц, например при одноосном сжатии, до значения 0.5 при высоких значениях параметра С и давления с 2, когда пре­ кращается дилатансия (объемное расширение). Постоянство |и, при данном С и а 2 приводит к линейной зависимости объемной де­ формации расширения от величины главной необратимой (оста­ точной) деформации.

Важные результаты получены при изучении влияния пути нагру­ жения на механическое поведение горных пород в диапазоне от предела упругости до предела прочности. Установлена независи­

4

мость предельных кривых от пути нагружения и разница в 2— 3 раза между величинами необратимой деформации при приходе в одну и ту же точку напряженного состояния разными путями на­ гружения.

В работах лаборатории принята концепция о существовании двух видов прочности твердых тел: прочность на отрыв и проч­ ность на срез. Как установлено экспериментально, эти два вида прочности и два вида сопротивления разрушению в чистом виде являются крайними случаями. Первый из них относится к области действия исключительно растягивающих напряжений, а второй — к области сдвигающих напряжений, действующих при высоких боковых давлениях, когда полностью отсутствует дилатансия. В промежуточной области между этими двумя крайними критери­ ями при деформации и разрушении в теле развиваются одновре­ менно два вида нарушений: сдвиг и отрыв. Количественное соот­ ношение между которыми зависит от вида напряженного состоя­ ния. Механизм деформации и разрушения в этой области объяснен с позиций предложенной статистической модели неоднородного твердого тела, учитывающей отрыв и срез и их количественное со­ отношение между собой. Модель позволяет количественно учесть дилатансию, зависимость прочности, коэффициента необратимой поперечной деформации, угла ориентировки плоскостей сдвига и их количества от вида напряженного состояния и уровня бокового давления.

Предложены новые аналитические условия предельных упругих и предельных прочных состояний в виде уравнений экспонен­ циального вида, описывающие весь диапазон напряженных состо­ яний между двумя критериями. Новые аналитические условия, так же как и предельные огибающие кругов Мора, не учитывают роли промежуточного главного напряжения, но в отличие от предель­ ных кривых Мора они являются достаточно универсальными, что было проверено на более чем 100 разновидностях горных пород и материалов. Предельные кривые Мора универсальных аналитиче­ ских описаний не имеют.

Синтез новых условий предельных состояний совместно с ре­ зультатами временных исследований позволил получить наиболее общую форму предельных состояний, учитывающую кроме видов напряженного состояния также и время. Временной фактор учи­ тывается кинетической теорией прочности твердых тел, уравнение которой решается совместно с экспоненциальными уравнениями предельных состояний. Кинетическое уравнение во многих случа­ ях достаточно хорошо описывает экспериментальные зависимо­ сти.

Впервые главные результаты упомянутых исследований были опубликованы в работах [65, 69, 75]. В дальнейших исследовани­ ях по этой программе был получен обширный экспериментальный материал по широкому кругу горных пород, который обобщен в книгах, выпущенных ВНИМИ [71, 72, 76].

5

Описанные результаты относятся к области деформации до пре­ дела прочности, так как к этому времени лаборатория не распола­ гала жестким прессовым оборудованием.

В 1974 году лаборатория приступила к следующему этапу, свя­ занному с созданием жесткого исследовательского оборудования, позволяющего проводить исследования деформированного состоя­ ния горных пород в полном диапазоне, включая участок за преде­ лом прочности. Благодаря оригинальному конструктивному реше­ нию нагружающих систем разработанная аппаратура обладает очень высоким показателем жесткости (до 2 • 1010 Н/м), что дает возможность без применения сервоконтролирующих устройств ис­ следовать весьма хрупкие горные породы в устойчивом режиме де­ формирования за пределом прочности. Созданный комплекс жест­ кого оборудования позволяет вести исследования в условиях стати­ ки и динамики, одноосного и трехосного сжатия, при наличии порового давления жидкого и газообразного флюида, температу­ ры, исследовать процессы фильтрации, баланс энергии хрупкого разрушения, определять акустические параметры горных пород и другие. Установки данного комплекса описаны в предлагаемой книге. Оригинальность конструкции установок и отдельных их уз­ лов подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения и патентами, часть которых отмечена в литературе.

Исследования свойств пород в полном диапазоне деформиро­ ванного состояния позволили установить механизм развития де­ формации за пределом прочности, одним из важных моментов ко­ торого является неизменность коэффициента необратимой попе­ речной деформации |1 до предела прочности и за пределом прочности. Это равенство свидетельствует о развитии деформаци­ онного процесса за пределом прочности по плоскостям сдвига, сформированным до предела прочности. Число плоскостей сдви­ га, возрастающее до предела и убывающее за пределом прочности, согласно статистической модели, не влияет на показатель |1 .

Зависимость остаточной прочности пород от вида напряженно­ го состояния по аналогии с предельными зависимостями прочнос­ ти и упругости можно описать экспоненциальным уравнением та­ кого же вида.

Исследования в широком диапазоне видов напряженного состо­ яния и при больших необратимых деформациях вплоть до оста­ точной прочности, позволили установить, что возрастающая с ро­ стом бокового давления с 2 степень измельчения пород при дефор­ мации имеет предел. Достигнув минимального размера, элементы дробления перестают измельчаться при дальнейшем увеличении а 2. Минимальный размер элементов дробления может опреде­ ляться размерами структурных элементов: зерен и кристаллов. Обнаружение этого факта позволило понять механизм развития деформационных процессов в условиях больших давлений и внес­ ти принципиальные коррективы в деформационную модель. Без введения принципа ограничения степени дробимости модель

6

предполагала беспрерывное дробление материала и не содержала условий прекращения упрочнения и увеличения предела упруго­ сти тела с ростом а 2 (условий выхода предельных кривых на гори­ зонтальный участок). Введение этого принципа позволило сфор­ мулировать критические условия выхода предельных кривых на горизонтальный участок и условия возможности развития разрых­ ления в породах при высоких давлениях, а также объяснить стре­ мительный рост пластичности в этих условиях.

Исследования механизма упрочнения пород с ростом бокового давления с 2 показали, что до 70 % величины общего упрочнения может приходиться на долю деформационного упрочнения, роль которого растет с увеличением пластичности материала.

Исследована роль структурного фактора, а именно вида функ­ ции распределения процентного содержания структурных элемен­ тов в теле по их сопротивлению сдвигу в формировании прочност­ ных и деформационных свойств горных пород.

Исследования процессов динамического неуправляемого раз­ рушения пород за пределом прочности при широкой вариации степени хрупкости пород, показателей жесткости нагружающего комплекса (НК), величин инерционных масс НК и разрушаемого объема (РО), вида напряженного состояния и других позволили установить механизм перехода потенциальной упругой энергии сжатия, накопленной в системе перед разрушением, в динамиче­ ские виды энергии. Получена полная система уравнений, описыва­ ющих баланс энергии процесса динамического неуправляемого разрушения. Данные исследования проводились применительно к проблеме горных ударов.

Применительно к проблеме внезапных выбросов породы и газа в горные выработки проведены комплексные сопоставительные ис­ следования двух видов песчаников Донбасса (ВО и НВО), имею­ щих принципиальное различие в том, что один из них представля­ ет категорию пород, опасных в отношении внезапных выбросов породы и газа, а второй принадлежит к категории пород неопас­ ных в этом отношении. Цель исследований — поиск критериев, по которым эти песчаники могут быть надежно разделены, и уста­ новление механизма возникновения внезапных выбросов. При полной идентичности механических свойств этих песчаников в широком диапазоне видов напряженного состояния и скоростей деформирования было установлено сильное различие (на 2— 3 де­ сятичных порядка) в исходных фильтрационных характеристиках и в степени их изменения при деформации до предела и за преде­ лом прочности. При разных уровнях бокового давления изменение коэффициента фильтрации ВО песчаника лежит в пределах одно­ го десятичного порядка, в то время как этот показатель для НВО песчаника изменяется на 3 и более десятичных порядков. Такое различие фильтрационных свойств обусловлено различием струк­ туры пород, а именно различием вида цемента, заполняющего межзеренное пространство.

7

Г л а в а 1

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД ДО ПРЕДЕЛА И ЗА ПРЕДЕЛОМ ПРОЧНОСТИ

ПРИ ШИРОКОЙ ВАРИАЦИИ ВИДОВ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПУТЕЙ НАГРУЖЕНИЯ

1.1.Введение

Вданной главе описана методика экспериментального изучения прочностных и деформационных свойств горных пород до преде­ ла и за пределом прочности в широком диапазоне видов напряжен­ ного состояния и путей нагружения при обычных прессовых ско­ ростях деформирования. Разработанная авторами аппаратура об­ ладает очень высоким показателем жесткости (до 2 - 1 0 10 Н/м), которая обеспечена за счет оригинального решения конструкции нагружающей системы. Описанные установки позволяют без при­ менения сервоконтролирующих устройств исследовать весьма хрупкие горные породы в устойчивом режиме деформирования за пределом прочности. Установки имеют миниатюрные размеры и надежны в эксплуатации.

Далее в главе приведены результаты изучения прочностных и де­ формационных свойств горных пород, выполненные на этих уста­ новках, в широком диапазоне видов напряженного состояния (включая область растяжения и трехосного неравнокомпонентно­ го сжатия) и при различных путях нагружения. Дано обобщение экспериментальных результатов. Кратко описана разрабатываемая авторами статистическая модель неоднородного твердого тела, от­ ражающая процесс развития необратимых деформаций в горных породах во всем диапазоне условий, охваченном экспериментом.

9

1.2.Методика исследования прочностных

идеформационных свойств горных пород до предела и за пределом прочности

вшироком диапазоне видов напряженного

состояния и путей нагружения

1.2.1.Методика подготовки образцов

к испытаниям и методы регистрации деформации и усилия

В данном разделе изложены общие принципы подготовки образ­ цов к испытаниям на установках, разработанных авторами. Спе­ цифические детали подготовки при проведении конкретных экс­ периментов будут оговорены при описании этих экспериментов. Основная масса результатов получена при испытании образцов цилиндрической формы диаметром 30 мм, длиной 60— 80 мм. Ва­ риант комплектации образца перед испытаниями изображен на рис. 1.1. Образец 1 помещен между двумя стальными подпятника­ ми 2, имеющими сферические поверхности, с помощью которых

■2

3

2

Рис. 1.1. Конструкция образца, подготовленного к испытаниям.

10