Прочность горных пород при простых видах деформирования

Прочность горных пород определяется силами сцепления внутри зерен кристаллов, слагающих породу и силами сцепления между ними.

Под прочностными характеристиками горных пород чаще всего понимают значения их временного сопротивления в процессе одноосного сжатия, растяжения, сгиба и сдвига.

Установлено, что на прочность горных пород влияют не только их минералогический состав, но и ряд других факторов, в частности, структура и текстура породы, глубина залегания и др.

Исследования показывают, что прочность при одноосном сжатии значительно повышает прочность на изгиб и растяжение.

Таблица

Горная порода	Относительная прочность, %
	сжатие	сдвиг	изгиб	растяже- ние
Граниты	100	9	8	2-4
Песчаники	100	10-12	6-20	2-5
Известняки	100	15	8-10	4-10

В таблице приведена относительная прочность некоторых горных пород при различных видах испытаний.

Исследования горных пород при простых видах деформации показывают, что наибольшее сопротивление горные породы оказывают в случае сжатия, а при других видах деформации их прочность значительно ниже, что позволяет записать следующее равенство:

_сж  _с  _м  _р,

Отсюда можно сделать вывод, что разрушение горной породы наиболее выгодно осуществлять растяжением. При конструировании породоразрушающего инструмента необходимо всегда помнить об этом и всячески использовать этот фактор, способствующий снижению энергоемкости разрушения пород.

Следует также отметить, что использование классических теорий прочности для количественных решений механики горных пород невозможно в связи с тем, что _сж  _р.

Зависимость прочностных и упругих характеристик от большого числа технических и природных факторов также не позволяют применение классических теорий прочности.

Твердость минералов

Часто понятие твердость подменяют понятием прочность материала. На самом деле это ошибка. Под прочностью следует понимать сопротивление твердых тел механическому разрушению при различных видах деформаций (например, прочность на растяжение, сжатие и т. д.).

Под твердостью же следует понимать сопротивление, оказываемое телом проникновению в него другого тела, т. е. твердость есть прочность на вдавливание с соответствующим данному виду деформации характером напряженного состояния.

Определение твердости

Способность одного тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела называется твердостью.

Шкала твердости Мооса, построенная по этому принципу, широко применяется в минералогии.

Физически более строгое толкование твердости было дано Герцем. За меру твердости Герц принимал величину удельного давления в момент достижения предельного состояния в центре вдавливаемой поверхности.

В наше время нашли широкое распространение измерения твердости, основанные на вдавливании в поверхность исследуемого образца породы более твердого стандартного наконечника.

Установлено, что при вдавливании в хрупкие тела заостренных наконечников с большими углами заострения под очень малыми нагрузками на поверхности этих тел образуются микроотпечатки без следов хрупкого разрушения их границ. Этот метод получил название метод микротвердости.

При определении микротвердости вдавливаемым наконечником является алмазная пирамида. Эта пирамида может быть следующего вида (рис.18):

Квадратная пирамида Ромбическая пирамида

Винкерса Кнуппа

Рис.18

Микротвердость измеряется с помощью прибора ПМТ-2 и ПМТ-3 (с общим видом прибора мы уже знакомы). Прибор состоит из микроскопа с окулярным микрометром, осветителя и механизма вдавливания алмазной пирамиды.

Измерение микротвердости производится следующим образом:

1. Образец породы устанавливается на предметный столик микроскопа под объективом.

2. Предметный столик разворачивается на 180⁰ под механизм нагружения пирамиды.

3. Вдавливается пирамида под заданной нагрузкой в течение 5 - 10 сек.

4. Предметный столик разворачивается на 180⁰. Образец попадает опять под объектив микроскопа. Проводится измерение диагонали отпечатка.

В зависимости от ожидаемой твердости подбирается нагрузка вдавливания от 2 до 200 гр. В комплекте прибора имеются специальные грузы массой 2, 5, 10, 20, 50, 100 и 200 гр.

При испытании горных пород на твердость (микротвердость) по методу вдавливания пирамиды твердость определится по формуле:

,

где Р - нагрузка;

F - боковая поверхность отпечатка.

В свою очередь

,

где d - диагональ отпечатка в мм;

 - угол при вершине пирамиды, равный 136⁰.

Тогда в окончательном виде формула будет иметь вид:

.

Для точности измерения, как правило, делают не менее трех отпечатков.

Лекция №6