Исследование механических свойств соляных пород при растяжении Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------- © И.Л. Паньков, Ю.И. Г араева,

2011

УДК 622.831

И.Л. Паньков, Ю.И. Гараева

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОЛЯНЫХ ПОРОД ПРИ РАСТЯЖЕНИИ*

Приведены результаты определения предела прочности соляных пород при растяжении (прямое растяжения, раскалывание соосными клиньями) и сжатии.

Ключевые слова: соляные породы, предел прочности на растяжение, прямой метод, раскалывание.

Геомеханическая оценка устойчивости очистных и подготовительных выработок, как правило, базируется на результатах лабораторного определения механических свойств горных пород, полученных при одноосном сжатии и растяжении. Технические трудности, связанные с прямыми испытаниями горных пород на растяжение, привели к разработке ряда косвенных методов [1, 2], результаты которых трудно сопоставимы между собой и, зачастую, существенно различаются. С целью сопоставления данных о прочности соляных пород при растяжении был проведен комплекс экспериментов, включающих прямые и косвенные методы определения.

Исследования проводились на призматических образцах соляных пород (каменная соль, сильвинит) Верхнекамского калийного месторождения длиной 130 мм и поперечным размером 30*30 мм. При опытах на прямое растяжение образцы испытывались на электромеханическом прессе Zwick/Z250 в специальном реверсивном приспособлении, позволяющем преобразовывать усилия

*Работа выполнена при поддержке Российского 10-05-96065-р_урал_а).

сжатия в напряжения растяжения (рис. 1). Крепление образцов осуществлялось с помощью раствора магнезиального цемента, замешенного на насыщенном рассоле карналлита. С целью снижения влияния места крепления образца с обоймой некоторые образцы имели галтелеобразную форму в виде утончения средней части. Для достижения необходимой прочности цемента испытания выполнялись через несколько суток после заливки. В процессе испытаний поддерживалась постоянная скорость перемещения траверс пресса, составляющая

0,1 мм/мин.

Для исключения погрешности, связанной с изгибом образца в реверсивном устройстве, измерение продольных (осевых) деформаций осуществлялось на поверхности образца с помощью двух датчиков консольного типа (точность измерений 0,002 мм), располагаемых симметрично относительно образца.

При деформировании образца в его средней части наблюдалось появление трещины, распространяющейся в направлении, перпендикулярном к действию растягивающей силы.

фонда фундаментальных исследований (грант №

Рис. 1. Испытательное ревер- Рис. 2. Вид разрушенного образца (после испытания на сивное устройство с подготов- прямое растяжение) ленным образцом

Эксперимент продолжался до полного разрушения образца (рис. 2). Результаты эксперимента представлялись в виде диаграмм деформирования, по которым проводилось определение комплекса прочностных и деформационных параметров по схеме, приведенной в работе [3].

Разрушенные части образца извлекались из обойм, очищались от цемента и подвергались дальнейшим испытаниям. Одна из разрушенных частей образца использовалась для определения предела прочности при растяжении косвенным методом путём раскалывания его соосными клиньями с радиусом закругления 5 мм, согласно ГОСТ [2]. Для обеспечения относительной погрешности результатов испытаний не более 20% при надежности не ниже 0,8 в каждом виде испытаний производилось не менее 5 определений.

Из второй разрушенной части изготавливался кубический образец, который испытывался на сжатие. По результатам экспериментов также строились

диаграммы деформирования (рис. 3) и определялись прочностные и деформационные параметры. Средние значения результатов определения механических параметров при прямом растяжении, сжатии и раскалывании соляных пород приведены в таблице. В качестве анализируемых параметров использовались: пределы прочности на растяжение (&раст), сжатие (осж), раскалывание (араск); предельная разрушающая деформация (епр); модуль деформации на начальном участке диаграммы деформирования (Ву); удельная энергоемкость разрушения (Ж).

Анализ полученных данных, в целом, позволил констатировать значительное превышение результатов определения абсолютных значений механических параметров при сжатии по сравнению с растяжением. Так, в среднем, предел прочности на сжатие приблизительно в 40 раз выше аналогичного показателя, полученного при растяжении. Для разрушающей деформации данное соотношение увеличивается до 60 раз, а для

^(фюрьшци^ % Деформация, %

Рис. 3. Характерный вид экспериментальных диаграмм деформирования соляных пород: а -

при прямом растяжении; б - при сжатии

Результаты определения механических параметров

при прямом и косвенном растяжении и сжатии соляныш пород

Кол. Прямое растяжение Сжатие Раскалыва- ние

обр. &раст, &пр Оу, &сж, &пр Оу, Ж, &раст,

МПа % ГПа МДж/м3 МПа % ГПа МДж/м3 МПа

Каменная соль (призматические образцы)

6 0,45 0,10 1,26 0,0010 24,07 6,26 0,53 2,72 2,29

Крупнозернистый сильвинит (призматические образцы)

3 0,62 0,16 1,51 0,0020 21,41 8,20 0,31 3,30 2,15

Мелкозернистый сильвинит (призматические образцы)

5 0,65 0,09 2,28 0,0019 25,18 6,10 0,57 4,46 2,50

Мелкозернистый сильвинит (галтелеобразные образцы)

10 0,88 0,14 2,69 0,0015 - - - - 3,04

удельной энергоемкости разрушения - в 2000 раз. Исключением является модуль деформации, определенный на начальном участке диаграммы деформирования, для которого характерна обратная картина, а именно: указанный модуль деформации при растяжении, в среднем, приблизительно в 3 раза выше соответствующего показателя при сжатии.

Результаты на прямое растяжение образцов мелкозернистого сильвинита (таблица) показали, что призматические

образцы деформировались более пластично по сравнению с галтелеобразными. На это указывает их пониженная прочность и разрушающая деформация, а также повышенная энергоемкость разрушения. Более высокая пластичность призматических образцов, по нашему мнению, указывает на наличие краевых эффектов, приводящих при неоднородном составе породы к появлению изгибающих напряжений и возникновению

разрушающей трещины на одной из боковых сторон образца.

Проведенный комплекс сопоставительных исследований предела прочности показал расхождение в результатах прямого и косвенного определения (таблица). Завышенные значения прочности, полученные с помощью косвенного определения (метод раскалывания), объясняются высокой пластичностью солей по сравнению со скальными породами, в

1. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. - М., Недра, 1969, 392 с.

2. ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении. - М., 1985, 14 с.

результате которой в зоне контакта образца и клинового приспособления образовывалась зона значительных пластических деформаций, имеющая склонность к упрочнению. В этой связи, необходимо проведение дальнейших исследований с целью усовершенствования методики косвенного определения прочности соляных пород на растяжение в части изменения геометрических размеров клинового приспособления.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Барях А.А., Асанов В.А., Паньков И.Л., Токсаров В.Н., Кирисюк М.А. Изучение масштабного эффекта в соляных породах/ Мат. Межд. конф. “Неделя горняка-2010”, Москва, МГГУ, Г орный информационно-аналитический бюллетень, №10, 2010, с. 141-143. lürj=l

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------

Паньков И.Л., Гараева Ю.И. - Горный институт УрО РАН, [email protected]

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА, ГЕОЛОГИИ И ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ФГАОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СИНЕТКОВ Дмитрий Сергеевич Обоснование технологии и направления развития горных работ для управления качеством угля на разрезах 25.00.22 к.т.н.