CC BY
25
УДК 622.831
В.А. Асанов, Н.Л. Бельтюков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА В СЛОИСТЫХ СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ ПРИ СДВИГЕ
Приведены результаты исследований масштабного эффекта структурно-нарушенных образцов соляных пород при сдвиговых испытаниях. Установленные закономерности влияния размеров образцов на основные деформационные и прочностные параметры показали, что в соляных породах масштабный эффект носит неявный характер.
Ключевые слова: соляные породы, масштабный эффект, глинистый контакт, сдвиг, прочность.
V.A. Asanov, N.L. Beltyukov
State National Research Politechnical University of Perm, Perm, Russia
THE SCALE EFFECT RESEARCHING IN STRATIFIED SALT ROCKS BY DIRECT SHEAR
The results of the scale effect research in having discontinuities salt rock specimens have been obtained by direct shear tests. The established regularities of specimen size influence on basic deformation and strength parameters have shown that the scale effect in salt rocks is nondescript.
Keywords: salt rocks, scale effect, clay stratum, direct shear, strength.
Устойчивость кровли очистных камер при ведении горных работ на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) напрямую зависит от состояния приконтурного массива, строение которого представляет собой чередование горизонтально залегающих слоев соляных пород различного минерального состава с тонкими глинистыми прослоями (контактами) [1]. Данные прослои являются потенциально опасным звеном, по которому, как правило, происходит отслоение и обрушение пород кровли, что обуславливается низкими прочностными характеристиками глинистого материала контактов по сравнению с соляными породами и относительно высоким уровнем го-
ризонтальных сдвигающих напряжений, возникающих на контуре выработки [2]. В связи со значительной протяженностью прослоев, в рамках определения их механических свойств, особенно актуальной является задача изучения влияния размеров образца на прочностные характеристики (масштабный эффект).
Изучение прочностных и деформационных свойств глинистых контактов осуществлялось на сервогидравлическом испытательном комплексе «MTS-816» (рис. 1), позволяющем проводить испытания глинистого прослоя в режиме «сдвиг со сжатием» (рис. 2). Особенностью испытательного комплекса является возможность проводить эксперимент на достаточно представительных образцах соляных пород с линейными размерами до 20 см.
Используемое экспериментальное оборудование имеет следующие технические характеристики: вертикальное усилие в режиме сжатия - 496 кН; усилие в режиме растяжения - 291 кН; максимальное сдвиговое усилие - 261 кН. Контроль горизонтальных смещений по контакту осуществлялся с помощью двух индуктивных датчиков перемещения ЬУБТ с точностью измерения 0,001 мм. Вертикальные смещения (дилатансия) и перекос образца контролировались четырьмя аналогичными датчиками, расположенными по углам матрицы.
Параметры испытаний задавались с помощью универсального программного обеспечения МиШРигроБе TestWare, позволяющего изменять условия эксперимента в достаточно широком диапазоне. Ре-
глинистыи
прослой
Рис. 1. Испытательный комплекс «МТ8-816»
Рис. 2. Схема испытания образцов
зультаты эксперимента фиксировались в автоматическом режиме в памяти персонального компьютера.
Для проведения исследований из соляных пород были изготовлены призматические образцы различных линейных размеров (высотой 15 см и поперечным сечением 15^15, 10*10 и 7*7 см) со структурными нарушениями (глинистыми контактами). Образцы имели относительно ровный глинистый прослой толщиной в среднем 2-6 мм. Для сопоставления результатов параллельно изготавливались аналогичные образцы без нарушений сплошности (однородные по строению).
Подготовка эксперимента заключалась в установке образца в специальных матрицах с последующей фиксацией его с помощью раствора гипса, при этом ориентация контакта была параллельна горизонтальной плоскости сдвигового комплекса (см. рис. 2). Быстрое схватывание гипса исключило возможность увлажнения глинистого контакта. Закрепленный в матрице образец выдерживался не менее суток для достижения гипсом необходимой прочности. Матрицы с образцом устанавливались в испытательный комплекс, где осуществлялось его нагружение.
В начале эксперимента проводилось поджатие в направлении, перпендикулярном плоскости контакта, а затем сдвиговой нагрузкой образец доводился до разрушения. Испытания выполнялись в режиме заданных сдвиговых деформаций со скоростью 1,0 мм/мин, при постоянных уровнях вертикального поджатия: 0,5; 2,0; 3,5; 5,0 и 10,0 МПа. В процессе испытания фиксировались величины вертикальной и сдвиговой нагрузки, а также вертикального и горизонтального смещения. Для каждого уровня вертикальной нагрузки испытывалось не менее трёх образцов по каждому из исследуемых размеров.
По результатам испытаний строились диаграммы деформирования (зависимости сдвигового напряжения от деформации сдвига (рис. 3)). По данным диаграммам согласно методике [3] определялись деформационные и прочностные параметры. Также строились паспорта прочности (зависимости предельного сдвигающего напряжения от нормального напряжения) для образцов различных линейных размеров (рис. 4). По паспортам прочности определялись механические характеристики соляных пород: коэффициент сцепления (С), тангенс угла внутреннего трения 0£ф).
2
Деформация, мм
Нормальное напряжение, МПа Размер образца, мм:
о '
‘ ------------50 - . — . . - 70
-100 — — —150
Рис. 3. Типичные диаграммы деформирования образцов соляных пород: а - с глинистым прослоем, б - без глинистого прослоя
Рис. 4. Паспорта прочности однородных образцов соляных пород и образцов с глинистым прослоем
Механические свойства слоистых соляных пород
Характеристика образца
Линейный размер образца, мм
С,
МПа
Неф
Слоистый (с глинистым прослоем)
70
100
150
0,76 0,42
0,87 0,46
0,64 0,43
1,89 1,69
3,06 1,54
3,15 1,37
Однородный (без глинистого прослоя)
50
100
150
Анализ результатов проведенных испытаний показал следующее:
• сдвиговые прочностные характеристики возрастают при увеличении величины нормального поджатия по линейной зависимости вида (см. рис. 4)
т=С+о^ф; (1)
• при больших нормальных нагрузках (а более 10-12 МПа) для глинистых прослоев отсутствует участок разупрочнения и имеет место практически идеальный упруго-пластический характер деформирования;
• при сдвиге соляных пород по глинистому прослою толщиной 4-6 мм достаточно часто наблюдается эффект «отрицательной дила-
тансии» (контракция), заключающийся в преимущественном уплотнении глинистого прослоя при его сдвиге, а также для большинства образцов отмечается уплотнение контакта с увеличением вертикальной нагрузки на образец.
Проведённые исследования показали, что механические характеристики образцов с глинистым контактом в несколько раз ниже, чем характеристики соляных однородных образцов без контакта (таблица). Это говорит о том, что глинистые прослои существенно уменьшают прочностные свойства вмещающих пород и являются наиболее слабым звеном соляного массива.
Также были построены зависимости предела прочности на сдвиг от размеров образцов, при разных уровнях нормального напряжения, для образцов с глинистым прослоем (рис. 5, а) и без глинистого прослоя (рис. 5, б). Анализ результатов выявил, что при увеличении размеров образцов соляных пород от 50 до 100 мм отмечается повышение предела прочности на сдвиг, а при дальнейшем увеличении размеров от 100 до 150 мм - небольшое понижение для всех уровней вертикального поджатия. При этом в образцах с глинистым контактом масштабный эффект проявляется менее отчётливо.
40 80 120 160 40 80 120 160
Размер образца, мм Размер образца, мм
а б
Рис. 5. Зависимости предела прочности на сдвиг от размеров образцов при разных уровнях вертикального поджатия: 1 - 0,5 МПа; 2 - 2 МПа; 3 - 3,5 МПа; 4 - 5 МПа;
5 - 10 МПа; а - образцы с глинистым прослоем; б - образцы без глинистого прослоя
Таким образом, в результате проведённого комплекса исследований были получены корреляционные закономерности изменения прочностных показателей слоистых соляных пород от структурных особен-
ностей их строения, размеров испытуемых образцов и условий приложения нагрузки. Установленные зависимости деформационнопрочностных параметров от размеров образцов носят неявный характер, что говорит о незначительном влиянии масштабного эффекта при сложных схемах нагружения соляных образцов. Это свидетельствует о том, что структурная неоднородность оказывает более сильное влияние на механические параметры слоистых соляных пород, чем действие масштабного эффекта. Для уточнения влияния масштабного эффекта на прочностные и деформационные характеристики необходимо проведение натурных исследований на образцах более представительных размеров.
Работа выполнена в рамках программы поддержки научных проектов молодых учёных Уральского отделения РАН (проект № 10-5-НП-490).
Библиографический список
1. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. - СПб., 2008.
2. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. Физикомеханические свойства соляных пород. - Л.: Недра, 1973. - 271 с.
3. Барях А. А., Асанов В. А., Паньков И. Л. Физико-механические свойства соляных пород Верхнекамского калийного месторождения: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 199 с.
References
1. Ukazaniya po zashhite rudnikov ot zatopleniya i okhrane podra-batyvaemykh obyektov v usloviyakh Verkhnekamskogo mestorozhdeniya kalijnykh solej [Instructions about mines flood protection and protection of objects over underground excavations by Verkhnekamskoe potash-magne-sium salt deposit]. St. Petersburg. - 2008.
2. Proskuryakov N.M., Permyakov R.S., Chernikov А.К. Fiziko-mekhanicheskie svojstva solyanykh porod [Physicomechanical properties of salt rocks]. - L., Nedra, 1973. - 271 s.
3. Baryakh А.А., Аsanov VA., Pankov I.L. Fiziko-mekhanicheskie svojstva solyanykh porod Verkhnekamskogo kalijnogo mestorozhdeniya:
uchebnoe posobie [Salt rock physicomechanical properties of Verkhnekam-skoe potash-magnesium salt deposit]. - Perm: Izd-vo Perm. gos. tekhn. un-ta, 2008. - 199 s.
Об авторах
Асанов Владимир Андреевич (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры разведки месторождений полезных ископаемых Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
Бельтюков Николай Леонидович (Пермь, Россия) - ассистент кафедры разведки месторождений полезных ископаемых Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
About the authors
Asanov Vladimir Andreyevich (Perm, Russia) - Full Professor, Professor of the Underground mining chair (614990, Perm, Komsomol prospect, 29, e-mail: [email protected]).
Beltyukov Nikolay Leonidovich (Perm, Russia) - Assistant Professor of Underground mining chair (614990, Perm, Komsomol prospect, 29, email: [email protected]).
Получено 09.09.2011
