2007

Торцевые поверхности образцов-цилиндров и грани образ- цов-кубов обрабатывают с помощью шлифовального порошка. После шлифования отклонение от плоскостности, измеренное по четырем углам образца-куба или четырем точкам взаимно перпендикулярных диаметров образца-цилиндра, должно быть не более 0,1 мм. Отклонение от плоскостности определяют на двух противоположных гранях, которыми образец при испытании контактирует с плитами пресса. Параллельность граней, к которым прикладывают нагрузку, определяют индикатором по четырем измерениям диаметрально расположенных образующих образцацилиндра или ребер образца-куба. Отклонение от параллельности должно быть не более ± 0,02 мм.

Для горных пород с выраженной слоистостью оси образцов, по направлению которых проводят сжатие, должны располагаться: у пяти образцов −перпендикулярно слоистости, у других пяти − параллельно слоистости. Образцы должны быть промаркированы стрелкой перпендикулярно слоистости породы.

Испытание образцов проводят в сухом и в водонасыщенном состоянии.

Перед определением прочности образцы высушивают до постоянной массы и измеряют. Результаты измерений записывают в журнал.

Для определения предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии образцы укладывают в сосуд с водой с температурой (20±5) С так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. Образцы выдерживают в течение 48 ч, после чего их извлекают из сосуда, удаляют влагу с поверхности влажной мягкой тканью и испытывают на прессе. Образцы не должны иметь трещин, в том числе волосяных.

Порядок проведения испытания

Образец устанавливают в центре, совмещая оси образца с центром нижней опорной плиты, и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей торцевой грани образца.

При испытании нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью от 0,3 до 0,5 МПа (от 3 до 5 кгс/см2) в секунду.

61

Значение разрушающей нагрузки должно составлять от 20 до 80 % максимального усилия, развиваемого прессом. Записывают максимальную величину разрушающей нагрузки.

Обработка результатов испытания

Предел прочности при сжатии(Rсж, МПа ,кгс/см2), вычисляют с точностью до 1 МПа по формуле:

(11.2)

где Р − разрушающая нагрузка, Н (кгс); F − поперечного сечения образца, см2.

Предел прочности при сжатии вычисляют как среднеарифметическое значение результатов испытаний пяти образцов. Для образцов горной породы с выраженной слоистостью отдельно записывают результаты, полученные при испытании вдоль слоистости и перпендикулярно к ней.

Снижение прочности при сжатии горной породы в водонасыщенном состоянии (∆R, %) вычисляют по формуле

62

теплоемкость плотной среды зависит только от ее минерального состава.

Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоемкость.

Теплоемкость не зависит от того, в каком состоянии находится порода – в аморфном или в кристаллическом.

12.2 Теплопроводность и температуропроводимость по-

род

Минералы и горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла [4].

Теплопроводность пород определяется способностью минералов, слагающих породу, проводить тепло.

В слоистых породах наблюдается большая теплопроводность вдоль слоистости (λ║), чем перпендикулярно слоисто-

сти.(λ┴).

Передача тепловой энергии в пористых породах может происходить как путем теплопроводности, так и путем конвекции заполнителя порового пространства (теплоотдачи).

12.3 Тепловое расширение

Важнейшими теплофизическими характеристиками являются коэффициенты линейного и объемного теплового расширения породы, которые обуславливают способность пород трансформировать тепловую энергию в механическую, т.е. внешнюю работу.

Коэффициент линейного теплового расширения (α) минералов уменьшается с увеличением энергии кристаллической решетки и соответственно плотностью минералов (αмин = 10-6 – 10-4к-1, αпород = 10-6 – 10-5к-1). Высокие коэффициенты линейного тепло-

вго расширения имеют: αсера = 8·10-5к-1, αслюда, флюорит, кварц

= 1,3*10-5к-1.

Высокие значения коэффициента объемного теплового рас-

ширения (γт) характерны для кварцитов 1,1·10-5к-1 и гранитов

0,8*10-5к-1.

Коэффициенты линейного расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом.

64

Пористость, трещиноватость и пустоты в горной породе приводят к снижению ее коэффициента теплового расширения.

12.4 Термические напряжения в горных породах

Термические напряжения в горных породах возникают за счет либо неоднородности нагрева породы, либо различия в значениях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов.

Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление, в результате которого в горной породе возникают остаточные деформации, приводящие к снижению пористости. С уплотнением увеличиваются площади сечения, по которым предаются давление и энергия, и поэтому возрастают все тензорные параметры – прочность, упругие свойства, теплопроводность и т.д. Одновременно уменьшаются площади сечения каналов (пор, трещин и т.п.), и поэтому такие параметры, как влагоемкость и проницаемость уменьшаются.

Под воздействием разупрочняющих механических напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних связей между частицами горных пород. При этом, изменения свойств, как правило, более существенны. Значительно уменьшается прочность пород, снижаются параметры упругости, крепость, твердость, увеличивается дробимость пород.

12.5Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород методом импульсного нагрева

Для определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород используется метод периодического нагрева [5]. Метод основан на использовании линейных участков временного изменения температуры в одномерной пластине при периодическом нагреве вводимого в образец горной породы источника нагрева постоянной мощности. Для измерений пластину толщиной 5 – 10 мм, на одной поверхности которой задан периодически изменяющийся тепловой поток, формируемый путем периодического включения и выключения электрического нагревателя постоянной мощности. Противопо-

65

ложная поверхность пластины охлаждается в режиме конвективного и лучистого теплообмена с окружающей средой. Принципиальная тепловая схема и конструктивная схема установки представлена на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – Установка для определения тепловых свойств горных пород

Экспериментальная установка, изображенная на рисунке 12.1 , содержит исследуемые образцы горных пород 1, между которыми помещают плоский нагреватель 2. Прижимной винт 3 служит для фиксации образцов 1 игольчатым держателем 6. На поверхности образцов закреплены термопары 5. Миллиамперметром 8 и вольтметром 9 фиксируют ток и напряжение. В установке предусмотрено реле 7,осуществляющее периодическое включение и выключение. Изменение температуры во времени записывают с помощью электронного термометра 4.

Для расчета тепловых свойств по ГОСТ 25943-82 рекомендована простая формула, учитывающая толщину пластины и длительность интервала нарастания температуры противоположной поверхности образца до максимума. В соответствии с методикой [5]все измерения следует проводить в установившемся режиме теплообмена, когда максимальная и минимальная температуры

66

поверхности образца не изменяются на следующих циклах теплообмена.

Коэффициент теплопроводности образцов горной породы определяется по формуле:

где L – толщина исследуемого образца, м;

∆t – время, прошедшее между выключениями (включениями) мощности нагревателя и достижения максимума (минимума) температуры па поверхности образца, с;

K – постоянная времени измерительной схемы, определяемой дополнительным экспериментом на эталоне, для предлагаемой установки K = 1,5с.

Удельную теплоемкость (ср, Дж/кг) вычисляют по формуле:

где U – показатель вольтметра,в;

I – показатель миллиамперметра,а; m – масса образца, кг;

b – скорость изменения температуры поверхности образца, определяемая как тангенс угла наклона прямой темпа нагрева поверхности образца, К/с.

Результаты вычислений заносятся в таблицу 12.1.

Таблица 12.1 – Запись результатов испытаний

Контрольные вопросы

1. От чего зависит удельная теплоемкость плотной среды?

67

2.Какие характеристики являются важнейшими теплофизическими характеристиками горных пород?

3.В слоистых породах наблюдается большая теплопроводность вдоль слоистости (λ║) или перпендикулярно слоисто-

сти.(λ┴)?

4.Как происходит передача тепловой энергии в пористых породах?

5.Пористость, трещиноватость и пустоты в горной породе приводят к снижению или повышению ее коэффициента теплового расширения?

6.Какой метод используется для определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности горных пород?

7.На чем основан метод определения удельной теплоемкости горной породы?

13 ПОСТРОЕНИЕ ПАСПОРТА ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ИХ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

13.1 Общие сведения

Паспорт (диаграмма) прочности представляет собой график функциональной зависимости между касательными и нормальными напряжениями, при которых происходит разрушение породы [2]. Построение паспортов прочности может быть осуществлено различными способами. Кривая паспорта прочности является огибающей предельных кругов Мора. Все точки у и τ (нормальные и касательные напряжения), лежащие на ней, соответствуют предельному состоянию материала. Для точек у и τ , лежащих ниже этой кривой, материал не разрушается.

По результатам испытаний образцов (лабораторные работы 5, 6) составляют паспорта прочности горных пород, которые позволяют оценить условия разрушения пород (рисунок 13.1).

Огибающая предельных кругов Мора (паспорт прочности) дает возможность установить точки предельного состояния материала, величины сил сцепления, угол внутреннего трения и коэффициент внутреннего трения.

68

Профессор , доктор . технических наук Протодьяконов М.М. предложил обобщенное уравнение огибающей предельных кругов Мора, которое хорошо описывает предельное состояние совершенно различных по своим свойствам материалов – сыпучих, хрупких, пластичных в координатах нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений.

Между прочностными свойствами горных пород существует примерные зависимости:

[σр] =0,1 [σсж], τср = [σсж],

где [σсж] – предел прочности горных пород на сжатие, Па; τср – предел прочности горных пород на сдвиг, Па;

[σр] – предел прочности горных пород на растяжение, Па.

ф,кг/см2

ум – максимальное касательное напряжение ф при σ →∞;

69

х– абсцисса кривой ( х =у +у pm );

у– прочность породы при трехосном равномерном растя жении;

а– параметр формы кривой, огибающей предельные круги Мора

Приведенное уравнение позволило разработать методику построения паспортов прочности горных пород только по двум прочностным показателям – временному сопротивлению при сжатии и временному сопротивлению при растяжении, определяемым из опыта.

Рациональность и правильность этой методики были доказаны ее автором на основании обработки большого числа своих экспериментальных данных и данных других исследователей.

При обработке указанных экспериментальных данных для облегчения расчетов и построения паспортов прочности были составлены таблицы и номограммы, с помощью которых без особого труда по известной из опытов величине отношения предельно-

го сжимающего напряжения (σ )к предельному растягивающе-

сж

му напряжению (σ )можно определить параметры уравнения и

р

огибающей кривой. Одной из этих таблиц (таблица 13.1) мы будем пользоваться при расчетах.

В таблице 13.1 приняты следующие обозначения:

безразмерный вид уравнения огибающей кривой:

−безразмерная координата точки касания кругов Мора для одноосного растяжения и сжатия

70