fizika_gp

81

Лабораторная работа № 8

КОНТАКТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

6.1 Цель работы

Определение контактной прочности горных пород методом статического вдавливания в них цилиндрического пуансона с плоским основанием.

6.2 Теоретические основы работы

Прочность горных пород имеет решающее значение во всех процессах горного производства. Информация о прочностных свойствах и параметрах пород необходима для расчёта эффективности разрушения пород различными способами, крепления, охраны и поддержания горных выработок, выбора и обоснования технологии подготовительных и очистных работ, а также для решения всего комплекса вопросов наземного и подземного строительства. От прочностных свойств пород в значительной мере зависят геомеханические процессы в массиве пород при строительстве подземных сооружений и разработке полезных ископаемых.

Прочностные свойства горной породы – это механические свойства, характеризующие процессы разрушения горных пород

[46].

Прочность – это способность горной породы сопротивляться действию сил, стремящихся вызвать её разрушение. Порода перестает быть прочной, если в ней нарушаются внутренние связи и происходит разрушение.

Прочность горных пород зависит от многих внутренних и внешних факторов. Наиболее существенное влияние на неё оказывают минеральный состав, структура, текстура, влажность, температура, продолжительность действия нагрузки и характер её приложения. Имеющиеся в горных породах микро- и макродефекты снижают её прочность в сотни и тысячи раз. Поэтому различают теоретическую и реальную прочность горных пород (как и любого твердого тела).

82

Теоретическая прочность – прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку минералов породы. Следовательно, теоретическая прочность горных пород обусловлена силой сцепления элементарных частиц кристаллов в породах, которые имеют бездефектное, т.е. идеальное строение.

Реальная прочность – прочность горных пород, которой они обладают в действительности, в реальных условиях с учётом всех имеющихся в них микро- и макродефектов.

Прочность породы оценивают величиной критических напряжений, при которых происходит её разрушение. Эти напряжения называют пределами прочности и измеряют в системе СИ в Па (паскаль). Они различны для разных пород и для разных видов приложенных нагрузок [9, п. 3.7].

Различают пределы прочности пород при сжатии σсж, растя-

жении σр, сдвиге τсд, изгибе σизг и т.д. (табл. Г.1)

Горные породы хорошо выдерживают напряжения сжатия и очень плохо – растяжения. Пределы прочности при растяжении для большинства пород в 8–30 раз меньше, чем при сжатии. Для горных пород характерна зависимость σсж > σизг > σр. (табл. Г.2).

Прочность твёрдых горных пород в условиях одноосного напряженного состояния определяют обычно путём раздавливания на прессе специально изготовленных образцов цилиндрической или кубической формы по ГОСТ 21153.2–84 [25].

Предел прочности пород при одноосном сжатии σсж рассчитывают по формуле

где Fсж – разрушающая сила, Н;

Sсж – площадь сечения образца, перпендикулярного направлению приложения нагрузки, м2.

Контактная прочность горной породы – параметр, харак-

теризующий сопротивляемость поверхностного слоя горной породы разрушению при внедрении индентора в необработанную поверхность [46].

83

Контактную прочность горных пород используют в качестве критерия разрушаемости пород резцовым и шарошечным инструментами горных буровых, горнопроходческих и выемочных машин и механизмов машин. Процесс разрушения этими инструментами осуществляется при местных контактных воздействиях, когда глубина проникновения инструмента в породу невелика и разрушение породы происходит в её поверхностном слое.

Контактную прочность горных пород Рк определяют путем статического вдавливания цилиндрического пуансона (штампа) с плоским основанием (рис. 8.1) в необработанную поверхность образца породы. Такой метод определения контактной прочности разработали и исследовали в Институте горного дела им. А. А. Скочинского профессор Л. И. Барон и др.

Показатель контактной прочности Рк, кгс/мм2, представляет собой отношение предельной нагрузки F в момент хрупкого разрушения (образования лунки выкола) породы к площади основания пуансона S, и может быть определён по формуле

k S

где F – предельная нагрузка на породу через пуансон, кгс 1; S – площадь основания пуансона, мм2.

Контактную прочность определяют для всех горных пород, кроме высокопластичных и очень пористых, т.к. они не разрушаются хрупко при внедрении пуансона.

Так как контактная прочность горных пород Рк более соответствует прочности пород при всестороннем сжатии, она всегда выше предела их прочности при одноосном сжатии σсж. В общем виде можно написать, что

1 В настоящей лабораторной работе сохранены единицы измерения, принятые в классификации контактной прочности горных пород по Л. И. Барону.

84

где K – коэффициент пропорциональности между контактной прочностью Рk и пределом прочности при одноосном сжатии σсж породы.

Рис. 8.1 – Общий вид стального цилиндра с пуансоном для определения контактной прочности пород

Понятие контактной прочности горных пород аналогично понятию их твёрдости и методы их определения сходны.

Твёрдость горной породы Рш – параметр характеризующий сопротивляемость поверхностного слоя горной породы разрушению или деформированию [46].

Отличие заключается в том, что при определении показателя контактной прочности породы поверхность образца, в которую вдавливают пуансон, предварительно не обрабатывают, а при определении твёрдости породы – её шлифуют.

Наличие шероховатостей поверхности приводит к снижению сопротивления породы разрушению при вдавливании пуансона.

85

Выполненные под руководством проф. Л. И. Барона исследования [50] показали, что справедливо соотношение

где Рk – контактная прочность горных пород; Рш – значение твёрдости горных пород.

Л. И. Барон предложил разделить все горные породы по величине контактной прочности на 12 классов (табл. Г.3).

6.3 Оборудование, приборы, инструменты

6.3.1 Пресс гидравлический П-10 (рис. 8.2).

1 – инструмент для уборки рабочего места; 2 – нижняя плита пресса: 3 – верхняя плита пресса; 4 – маховик регулятора высоты; 5 – стрелочный индикатор давления пресса; 6 – ведомая стрелка силоизмерителя пресса

Рис. 8.2 – Пресс гидравлический П-10

86

6.3.2 Пуансон стальной цилиндрический.

Пуансон, изготовленный из закаленной марки стали, с плоским основанием (см. рис. 8.1) диаметром dп = 2 мм – при испытании плотных и однородно пористых пород, или dп = 3 мм – для пород с величиной зерна более 0,25 мм.

Пуансоны из твёрдого сплава со сменным наконечником используют для испытания пород с контактной прочностью более 150–160 кгс/мм2 (см. табл. Г.2) Такие размеры площади оснований пуансонов примерно соответствуют площади острия зубьев шарошечных долот.

6.3.3 Приспособление для крепления пуансона

Приспособление для крепления пуансона к верхней плите пресса, состоящее из металлической плиты с отверстием для пуансона и четырех струбцин изображено на рисунке 8.3.

1 – пуансон; 2 – нижняя плита пресса; 3 – верхняя плита пресса; 4 – металлическая плита с отверстием для пуансона;

5 – струбцины; 6 – образец породы

Рис. 8.3 – Схема приспособление для крепления пуансона к верхней плите пресса и расположения образца породы

87

6.3.4 Измерительные инструменты

Линейка, штангенциркуль.

6.4 Подготовка образцов горной породы для испытаний

Испытания проводят на образцах цилиндрической, кубической или полуправильной формы, имеющих две приблизительно параллельных поверхности, либо необработанных вовсе, либо подверженных несложной грубой околке или обдирке на абразивном круге.

Расстояние между параллельными поверхностями образцов (высота) должна быть не менее 50 мм, ширина или диаметр – 60– 100 мм.

Студенты каждой бригады определяют контактную прочность 2–3 образцов породы одного вида.

6.5 Порядок выполнения работы

1.Описать исследуемые образцы горных пород (по лабораторной работе № 1).

2.Измерить штангенциркулем или линейкой средние зна-

чения высоты hк и диаметра dк каждого образца и записать их. Зарисовать схему (сфотографировать) внешнего вида образцов с указанием размеров.

3.Наметить карандашом на обеих параллельных поверхностях образца точки, совпадающие с осью направления вдавливания пуансона, перпендикулярной поверхности образца, причём расстояние между соседними осями вдавливания пуансона и до края образца на одной поверхности должно быть таким, чтобы расстояние между ближайшими точками краёв разных лунок разрушения породы было не менее их средних диаметров, но не менее 10 мм.

4.Прикрепить, как показано на рис. 8.3, цилиндрический пуансон 1 к верхней плите пресса 3 с помощью металлической плиты 4 с отверстием для пуансона и четырех струбцин 5.

5.Поместить между нижней плитой 2 пресса (см. рис. 8.3) и пуансоном образец породы 6, так, чтобы ось пуансона совпала с одной из заранее намеченных точек по п. 3.

88

6.Вращением маховика регулятора высоты 4 (см. рис. 8.2) опустить верхнюю плиту пресса до момента прикосновения пуансона к поверхности образца породы. При этом пуансон ни в коем случае не должен давить на образец.

7.Включить пресс и произвести вдавливание пуансона в поверхность образца с постоянной скоростью перемещения плиты пресса 6–12 мм/мин. Нагружение следует производить в один приём до момента разрушения породы под пуансоном, т.е. до образования лунки разрушения. Этот момент можно определить по резкому падению давления пресса, отображаемому на его стрелочном индикаторе 5 (см. рис. 8.2). После чего сразу же прекратить перемещение плиты пресса и выключить электродвигатель его гидропривода. Вращением маховика регулятора высоты 4 поднять верхнюю плиту 3 пресса для свободного перемещения образца. Включение, регулировку подачи, давления и выключение пресса может выполнять только руководитель работы.

8.На стрелочном индикаторе пресса 5 (см. рис. 8.2) отметить положение остановившейся ведомой стрелки 6, и по шкале измерения определить предельную нагрузку, при которой произошло разрушение породы.

9.Записать значение величины предельной нагрузки F в таблицу 8.1.

10.Выполнить испытания по п.п. 5–9 для каждой из двух поверхностей образца и извлечь его с нижней плиты 2 (см. рис. 8.2) пресса.

Таблица 8.1 – Результаты измерений и вычислений контактной прочности пород

89

11.После выполнения всех запланированных испытаний образцов породы внимательно рассмотреть и зарисовать полученные в них лунки с указанием их формы, размеров и глубины,

атакже направления разрушающей силы.

12.После окончания эксперимента привести пресс и рабочее место в чистое состояние с использованием инструментов для уборки мусора 1 (см. рис. 8.2).

6.6 Обработка результатов эксперимента, составление отчёта

1.Вычислить величину контактной прочности горной породы Рк для каждого испытания по формуле (8.1).

2.Обработать полученные показатели контактной прочности породы методами математической статистики (см. прил. Б) и вычислить:

среднеарифметическое значение Pk ,

коэффициент вариации Kв,

доверительный интервал контактной прочности ∆Рk и записать окончательный результат в виде

3.Результаты измерений и вычислений занести в табли-

цу 8.1.

4.По результатам выполненных испытаний сделать краткие выводы:

определить, к какому классу по Л. И. Барону можно отнести испытанную породу, сравнивая значения полученной в результате эксперимента контактной прочности со значениями в табл. Г.3;

объяснить влияние вещественного состава, структуры

итекстуры породы на контактную прочность, характер разрушения образцов, параметры лунок, возможные причины получения различных значений прочности породы;

подтвердить выводы вычисленными статистическими показателями.

90

6.7 Вопросы для самопроверки

1Что называют контактной прочностью горной породы?

2Какие внутренние и внешние факторы влияют на контактную прочность горных пород?

3Дайте определение теоретической и реальной прочности породы.

4Какое напряженное состояние характеризует в основном контактная прочность породы?

5В чем отличие контактной прочности от твёрдости пород?

6Что больше по величине: контактная прочность или твёрдость пород, какова связь между ними?

7Где необходимо учитывать контактную прочность горных

пород?

8Как учитывают контактную прочность горных пород при выборе бурового инструмента?

9Какое оборудование использовали в лабораторной работе для определения контактной прочности пород?

10Какие требования предъявляют к пуансонам для определения контактной прочности горных пород?

11Как классифицированы горные породы по величине контактной прочности проф. Л. И. Бароном?

12Назовите примерные значения контактной прочности 4–5 видов горных пород.

13В чем состоит различие методов определения твердости и контактной прочности горных пород?

14В чем заключается сущность метода определения контактной прочности?

15Каким требованиям должны удовлетворять образцы горных пород, предназначенные для определения контактной прочности?

16С какой скоростью производится нагружение образцов при определении контактной прочности?

17Как по результатам опыта рассчитать контактную проч-

ность?