книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

сферы образцы покрывались тканью, пропитанной парафином. На­ ряду с изолированными образцами проводились опыты с образцами без изоляции, о чем будет сказано отдельно.

На рис. 2.56 представлены кривые ползучести изолированных образцов сильвинита Верхнекамского месторождения. Предел прочности в стандартном режиме составил о„ = 29.1 МПа. Время на графиках указано в часах и сутках. Объемные деформации име­ ют знак расширения, и лишь при уровне нагрузки 30 % от разру­ шающей объемная деформация имела знак уплотнения. При на­ грузке 85 % наблюдается прогрессирующая ползучесть, при на­ грузках 70, 60 и 50 % ползучесть имеет установившийся характер. При 30 % ползучесть имеет затухающий вид.

На рис. 2.57 даны зависимости объемных деформаций расшире­ ния образцов сильвинита Верхнекамского месторождения от ве­ личины напряжения при разной продолжительности опытов, ука­ занной на графиках в часах и сутках.

Рис. 2.57. Зависимости объемных деформаций от напряжений изолированных образцов сильвинита при разной продолжительности опытов.

На рис. 2.58 даны кривые ползучести природной каменной соли из Артемовска в Донбассе при нагрузке 70 % от предела прочно­ сти, равной о 2 = 29.1 МПа.

На рис. 2.59 — кривые ползучести той же соли из Артемовска, но при нагрузках 50 и 30 % от предела прочности.

181

б|, £2, 0-10 3

Рис. 2.58. Кривые ползучести каменной соли из Артемовска (Донбасс) при на­ грузках 70 % от предела прочности.

е, — продольные, е2 — поперечные, в — объемные деформации.

На рис. 2.60, а показаны объемные деформации расширения при разных нагрузках и длительности испытания той же каменной соли из Артемовска. Все образцы в опытах были изолированы от внешней атмосферы. Деформации разрыхления достигали 20 %, и тем не менее образцы не разрушались. Структура была сильно раз­ рушена, в основном по границам зерен, размеры которых достига­ ли сантиметровой величины. Это хорошо видно на фотографиях поверхностей среза образцов каменной соли до испытаний и после испытаний (рис. 2.60, б).

Главной причиной достаточно хорошей устойчивости образцов соли с сильно нарушенной структурой явилась надежная изоляция тела образцов от проникновения в образовавшиеся трещины па­ ров воздушной влаги. Это было подтверждено опытами на неизо­ лированных образцах сильвинита Верхнекамского месторожде­ ния [73]. Результаты таких опытов изображены на рис. 2.61. Об­ разцы испытывались под нагрузкой 50 % от предела прочности в течение 800 сут. По оси времени римскими цифрами отмечены

182

0, 50%

Рис. 2.59. Кривые ползучести каменной соли из Артемовска (Донбасс) при на­ грузках 50 и 30 % от предела прочности.

е, — продольные, е2 — поперечные, 0 — объемные деформации.

месяцы года. Кривые ползучести имеют участки с повышенной скоростью ползучести. Участки с повышенной скоростью ползу­ чести падают на конец июня (VI), июль (VII), август (VIII) и час­ тично на сентябрь (IX), т. е. на период года, когда прекращается отопительный сезон в С.-Петербурге. В этот период относитель­ ная влажность воздуха в помещении лаборатории достигает в условиях С.-Петербурга 90—95 %. В период отопительного сезо­ на, падающего на X— VI месяцы, влажность в лаборатории снижа­ ется до 30 %. При нагрузке, составляющей 50 % от предела проч­ ности, в теле образца развивается сильная трещиноватость. Объем увеличивается от 5 до 20 %, что позволяет парам влаги проникать в трещины и в них, воздействуя на кристаллическую решетку ка­ менной соли, ослаблять межатомные связи, что облегчает процес­ сы диффузии и приводит к интенсификации необратимых дефор­ маций.

На этом же рисунке нанесены кривые ползучести, вызванные нагрузкой 30 % от предела прочности. Ползучесть носит затухаю­ щий характер, объемные деформации расширения практически отсутствуют, что также было на рис. 2.56 при 30 %-ной нагрузке изолированных образцов того же сильвинита.

183

Рис. 2.60. Зависимость объемных деформаций расширения образцов каменной соли из Артемовска (Донбасс) в зависимости от нагрузки при разной продол­ жительности опытов (а) и фотографии поверхностей среза недеформированного и деформированного образцов каменной соли (б).

&], е2, 0 *10 3

0, 50%

/, сут

Рис. 2.61. Кривые сезонной ползучести не изолированных защитным покрыти­ ем образцов сильвинита Верхнекамского месторождения под нагрузкой 50 и 30 % от предела прочности.

е, — продольные, е2 — поперечные, 0 — объемные деформации.

Кривые ползучести изолированных образцов бурого угля из Шурабского месторождения в Таджикистане представлены на рис. 2.62. Характерной особенностью кривых является практиче­ ская независимость продольной деформации от времени опыта после 50 сут испытания. Интенсивно развиваются поперечные и объемные деформации. Поскольку уголь обладает высокой порис­ тостью, достигающей 33 %, объемные деформации лишь при на­ пряжении а х = 2.2 МПа (при пределе прочности угля 3.15 МПа) начинают менять знак с уплотнения на расширение.

На рис. 2.63 показаны графики объемных деформаций образцов бурого угля в зависимости от нагрузки и времени. Имеется явно выраженный максимум на кривых объемной ползучести.

185

Рис. 2.62. Кривые ползучести бурого угля из Шурабского угольного бассейна в Таджикистане.

£{ — продольные, е2 — поперечные, 0 — объемные деформации.

Рис. 2.63. Объемные деформации бурого угля из Шурабского угольного бассей­ на при разных нагрузках и времени испытания.

186

Была исследована на ползучесть кембрийская глина, залегающая под С.-Петербургом, по которой пройдены туннели С.-Петербург­ ского метрополитена на глубине70— 75 м. Кембрийская глина силь­ но увлажнена, хотя и является надежной защитой от прорыва воды. Ползучесть глины исследовалась на образцах призматической фор­ мы указанных ранее размеров. Образцы тщательно покрывались изоляционным покрытием.

Кривые ползучести глины при разных уровнях нагрузки показа­ ны на рис. 2.64. Следует обратить внимание на тот факт, что при всех уровнях нагрузки поперечные деформации меньше соответст­ вующих продольных, а объемные деформации также при всех уровнях нагрузки имеют знак уплотнения, коэффициент попереч­ ной деформации меньше 0.5.

е ю-3, е-10-3

Рис. 2.64. Кривые ползучести петербургской кембрийской глины.

£j — продольные, е2 — поперечные, 0 — объемные деформации.

В процессе опытов, которые велись в условиях одноосного ежатия, влага из образца выдавливалась и скапливалась в зазоре между непроницаемой изолирующей рубашкой и телом образца. После вскрытия рубашки выливалось 100 см3 и более воды. Процесс вы­ давливания воды протекает во времени и зависит от уровня нагруз­ ки: чем выше нагрузка, тем процесс выдавливания идет интенсив­

187

нее. В результате потери влаги механические свойства глины су­ щественно изменяются: она становится много прочнее и начинает приобретать свойства хрупких материалов.

На рис. 2.65 показаны объемные деформации кембрийской глины. Штриховой линией изображен график испытаний глины на прочность в обычном стандартном режиме на универсальном прессе. Охрупчивание глины из-за выдавливания влаги приводит к тому, что в ней, как и во всяком хрупком материале, начинают образовываться трещины и пустоты точно так же, как это на­ блюдается у хрупких горных пород. Максимумы на графике рис. 2.65 следует объяснять тем, что в глине идут одновременно два процесса: процесс уплотнения, связанный с закрытием пор и пустот и выдавливанием воды, и процесс раскрытия трещин, приводящий к разрыхлению и увеличению объема. Общая объем­ ная деформация является алгебраической суммой двух дилатансионных процессов с разными знаками.

Результаты по ползучести и долговечности солевых пород могут быть полезными при оценке долговечности и устойчивости под­ земных выработок, проходимых в солевых массивах [68].

-ею-3

Рис. 2.65. Зависимости объемной деформации уплотнения кембрийской глины при ползучести от уровня нагрузки и времени опыта.

188

Перепишем кинетические уравнения (2.1) и (2.2) в несколько упрощенном виде:

t= t0e-a'°9

ё= ё 0е"“*а.

Здесь f, tQ, ё, ё 0 имеют те же значения и тот же смысл, что и в урав­ нениях (2.1) и (2.2), с — нормальное напряжение при одноосном сжатии. Коэффициенты а , и а* получены при преобразованиях кинетических уравнений. Они одинаковы по абсолютной величи­ не и противоположны по знакам, т. е.

по экспериментальным данным по ползучести двух видов сильви­ нита. Коэффициенты а , и а* определяют величину наклона пря­ мых линий на рис. 2.66. Для сильвинита Верхнекамского место­ рождения коэффициенты имеют значения:

а , = 0.047, ос* = 0.045. При этом частотные множители приняты:

t0 = 3.15 Ю '13 с -1 и ё г = 6.15 • 109 с ”1.

Коэффициенты получились очень близкими по абсолютной ве­ личине для обоих видов сильвинита, что видно из графиков.

Были поставлены специальные опыты по испытанию образцов большого размера (500 х 500 х 800 мм) непосредственно в рудни­

189

основную часть исследований выполнять в лаборатории, что не­ сравненно упрощало работу.

Задача состояла в том, чтобы определять действующие в целике напряжения, изучая скорость ползучести целика, путем установки в руднике реперных станций и на основании этих измерений оце­ нивать время до разрушения целика.

Техническое выполнение такой работы поясняет рис. 2.67, по­ строенный по данным, полученным на сильвините Верхнекамско­ го месторождения. Линии 1 и 2 на рис. 2.67 получены в лаборато­ рии. Скорость деформации ё, целика определена в шахте.

lgl, с

Рис. 2.67. Пример техники оценки величины напряжения в целике и его долго­ вечности на основании определяемой в шахте скорости деформации целика ё,.

Двигаясь по стрелкам, мы получаем по оси ординат величину действующего напряжения о g, после чего находим время до разру­ шения целика f,. Для построения линии долговечности I достаточ­ но одной точки, которую следует определять при высоких напря­ жениях, так как это экономит время. Наклон линии долговечности I определяем по соотношению (2.63). Соответствующий коэффи­ циент а , получаем в лабораторных опытах на ползучесть.

Описанный метод удовлетворительно достоверен применитель­ но к соляным породам. В отношении других горных пород этого сказать нельзя из-за сильного влияния масштабного эффекта.

190