CC BY
189
ТГГГГГГСЕМИНАР 5 . ,;ГГГГГГН
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 2000”
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
^ В.В. Присташ, С.Е. Чирков, 2000
УДК 622.23.02:622.02:531
В.В. Присташ, С.Е. Чирков
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ МЕХАНИЧЕСКИХ
нергоемкость разрушения - важный критериальный показатель сопротивляемости горных пород разрушению. Наиболее информативными являются удельные объемная и поверхностная работы разрушения. По этим физическим характеристикам можно оценивать также гранулометрический состав продуктов разрушения. Показать, как изменяются эти характеристики сопротивляемости горных пород
Э разрушению при различных физических состояниях и воздействиях, является важной задачей горной науки. Настоящая статья посвящена изучению энергоемкости разрушения горных пород при различных видах механических воздействий. Исследования выполнялись как при статических, так и при динамических воздействиях.
Изучением энергоемкости разрушения твердых материалов, в том числе и горных пород, исследователи занимаются давно. Анализ этих исследований показывает, что в большинстве своем они посвящены общим затратам работы на разрушение единицы объема горного массива. Сопоставлять такие данные без учета степени дробления нельзя. Исследований же по определению энергоемкости образования новой поверхности продуктов разрушения мало, да и результаты весьма противоречивы. Для близких по прочности и составу горных пород энергоемкость образования новой поверхности изменяется от единиц до тысяч Дж/м2. Отсутствует единый взгляд на законы распределения частиц по крупности продуктов разрушения. Одни исследователи считают их мономодальными, другие - полимодальными. Нет единых методов определения вновь образованной поверхно-
сти продуктов разрушения. Не останавливаясь на этих, весьма важных вопросах, отметим лишь то, что мы использовали ситовой анализ с коэффициентом формы частиц 6 (кубическая форма).
Учитывая фундаментальные результаты работ академиков РАН М.А. Садовского и Е.И. Шемякина, что все распределения полимодальны независимо от физико-химических свойств горных пород, используемая в наших исследованиях методика опирается на обобщенный закон дробления, выдвинутый академиком А.П. Ребиндером с сотрудниками, согласно которому процесс разрушения можно описать выражением:
А = дУ + ]$н, или Q = д + ]ЯУ,
где А - энергия разрушения, Дж/м3; V - объем образца, м3;
Q = А/У - удельная работа разрушения, Дж/м3; Sv = St/V -удельная вновь образованная поверхность, м2/м3; д - удельная объемная энергия разрушения, Дж/м2.
Искомыми энергетическими показателями являются д и у, физический смысл которых ясен из т.н. «энергетического паспорта разрушения» (рис. 1), показывающего зависимость удельной работы разрушения от удельной вновь образованной поверхности, где д - удельная объемная работа разрушения, которая пошла на упругопластические деформации и другие диссипативные потери.
Энергетические показатели разрушения горных пород при растяжении определялись при двух схемах нагружения: при изгибе породных балочек с трещинами по четырехточечной схеме (рис. 2) и при раскалывании пластин клиньями.
Наименьшее и наиболее точное значение энергоемкости разрушения при растяжении было получено при изгибе образца с искусственной трещиной (рис. 2), нанесенной по специально разработанному способу. Результаты испытаний представлены в таблице.
Определение энергетических показателей разрушения при раскалывании пластин клиньями выполнялись на аргиллитах и песчаниках. Поверхностная энергия разрушения аргиллитов составила 45-75 Дж/м2, песчаников - 60-90
*)Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ,
грант 99-05-64300
Ранее Л.М. Радченко и В.Н. Михайловым были выполнены исследования энергоемкости разрушения при одноосном сжатии образцов различной высоты. Приведенные в работе данные показывают изменение поверхностной работы разрушения от 35 Дж/м2 для мрамора до 400 Дж/м2 для прочных и вязких лапрофиров. Объемная работа разрушения, пошедшая на упругопластические деформации, составляет около 100 кДж/м3.
Наши исследования выполнялись при испытании образцов одинакового размера, но с разной скоростью нагру-
жения. Для песчаников с прочностью при сжатии 120-160 МПа объемная работа разрушения составила 580 кДж/м3, а поверхностная - 237 Дж/м2.
Энергетические паспорта разрушения горных пород по результатам статических «компрессион-ных» испытаний показаны на рис. 3.
Результаты изменения допредельной, запредельной и общей работы разрушения мрамора от
ДжА3
Рис. 5. 1 - песчаник I; 2 - песчаник 2; 3 - аргиллит; 4 - габбро; 5 - антрацит
Таблица
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИЗГИБЕ
№ пробы Горная порода Энергоемкость разрушения, у, Дж/м2 Число экпериментов, п Коэффициент вариации, Квар, %
1. Мраморы 3,26 - 6,22 10 10,0 - 14,5
2. Г аббро 35,30 5 11,7
3. Известняк 6,05 4 18,6
4. Песчаники 4,71- 18,36 14 14,1 - 20,2
5. Руда шеелит-сульфидная 4,28 - 5,32 8 7,2 - 9,1
6. Скарны 16,66 - 20,30 7 4,4 - 6,5
7. Гранодиориты 6,50 - 12,74 10 11,0 - 12,8
8. Кремнистые породы 10,56 - 17,60 17 9,9 - 17,4
9. Кварциты 9,59 - 14,69 9 18,8 - 19,6
10. Порфириты диабазовые 11,32 5 5,0
величины объемного сжатия получены совместно с Ю.М. Карташовым и представлены на рис. 4.
Определение энергоемкости разрушения в условиях трехосного сжатия выполнялись совместно с ИГТМ АН Украины на мокрите и аргиллите. Наблюдалось многократное увеличение объемной и поверхностной энергоемкостей разрушения при возрастании минимального главного напряжения и их уменьшение при определенных уровнях промежуточного главного напряжения.
Энергетические паспорта разрушения горных пород при высокоскоростном одноосном нагружении показан на рис. 5.
Результаты определений энергетических показателей при многократном ударном нагружении проведены на 28 разновидностях горных пород от слабых углей до крепких железистых кварцитов.
Анализ полученных результатов показал, что удельные поверхностные энергии при многократном ударном дроблении проб пород практически на порядок превышают аналогичные показатели при статическом раздавливании проб.
Значительно возросли и общие энергозатраты, а также вновь образованные поверхности, т.е. степень дробления. Кроме того, выявлено, что нет достаточно надежных корреляционных зависимостей между у и коэффициентом крепости пород, а также прочностями при одноосном сжатии и растяжении. При рассматриваемом способе разрушения более слабые и пластичные породы отличаются достаточно высокими значениями у .
Зависимости удельной поверхностной энергии при взрывном нагружении от прочности горных пород показаны на рис. 6.
Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод, что показатели энергоемкости разрушения не являются константами и зависят от видов и режимов механических воздействий, при этом чем выше объемное сжатие, скорость нагружения и степень дробления, тем больше показатели энергоемкости разрушения.
у"------------------------------------------------------------------------------------7
Присташ В.В. — кандидат технических наук, Институт горного дела им. А. А. Скочин-ского.
Чирков С.Е.— профессор, доктор технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
