Исследование разрушения породных образцов с твёрдыми включениями Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ний, которые в настоящее время продолжаются.

Так же перспективным направлением создания альтернативных нетрадиционных технологий является разработка и внедрение скважинной угледобычи. Решение этой проблемы осуществляется посредством проведения исследований по созданию способов и средств извлечения горной массы из скважин, пробуренных: с земной поверхности; из открытых горных выработок; из подземных горных выработок.

Для глубоких угольных месторождений на первом этапе развития не-

традиционной технологии более перспективной является скважинная добыча из подземных горных выработок, которая может осуществляться механическими и гидравлическими выемочными агрегатами с транспортом горной массы с помощью энергии гравитации или гидравлического потока, в тяжелых средах или шнеками. Следует отметить, что эффективность скважинной угледобычи из подземных выработок пока низкая. В этой связи элементы скважинной угледобычи можно использовать на глубоких шахтах для расширения области применения комбинированной технологии.

— Коротко об авторах

Лукин К.Д. - кандидат технических наук, доцент,

кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых», Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.

------------------------------------------- © Л.В. Разумова, 2007

УДК 622:681.31

Ё.В. Разумова

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДНЫХ ОБРАЗЦОВ С ТВЕРДЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Существующие методики определения физико-механический свойств горных пород включают отбор проб, изготовление породного образца и испытание его в лабораторных условиях. Как правило,

испытываются однородные сплошные образцы без видимых трещин. Однако, горные породы реального массива включают различные неоднородности: трещины, твердые и мягкие слои, ослабленные контакты между слоями,

вкрапления твердых и мягких пород. Т.е. полученные в лабораторных условиях прочностные и деформационные характеристики пород существенно отличаются от реальных, что подтверждается производственным опытом. Как правило, при составлении паспортов крепления и управления кровлей вводятся поправочные коэффициенты, величины которых принимаются экспертно.

В этой связи актуальными являются исследования прочностных и деформационных свойств неоднородных пород с твердыми или мягкими включениями для разработки методики лабораторных и натурных испытаний и численного моделирования процессов деформирования и разрушения неоднородных образцов горных пород с целью прогноза предела прочности пород, соответствующего реальным породам.

Для решения этой задачи проведены комплексные исследования сплошных и неоднородных с твердыми включениями породных образцов. Сравнительные испытания проводились в лабораторных условиях. При этом получались величины деформаций на поверхности цилиндрического образца, проводилось фотографирование трещины на поверхности образца. Для исследования процессов разрушения пород внутри образца использовался численный метод конечных элементов.

Для лабораторных испытаний изготавливались искусственные образцы из сухой строительной смеси «Геркулес» и воды в пропорции 1,5:1. Полученная смесь тщательно перемешивалась до однородной массы и заливалась в цилиндрические формы. Диаметр цилиндра составлял 60 мм, высота 100 мм. Испытания проводились через две недели после заливки смеси в формы.

Искусственные образцы с неоднородными включениями изготавливались следующим образом. До заливки смеси в форме закреплялся элемент неоднородности, в виде стальных шариков и кубиков, искусственных материалов с разными механическими свойствами, в том числе поролон для моделирования пустот. Для моделирования трещин в форму укладывались различные пленки.

Для проведения испытания образцов на одноосное сжатие использовался пресс ИК-500.01. Пресс испытательный универсальный ИК -500.01 соответствует утвержденному типу «Машины для испытания материалов на усталость ИК». Пресс предназначен для статических и малоцикловых испытаний образцов при нормальной температуре (от + 15 °С до +35 °С) в соответствии с требованиями ГОСТ 10006, ГОСТ 8695, ГОСТ 1497, ГОСТ 11701, ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.503.

Численное моделирование проводилось методом конечных элементов (МКЭ). Пакет компьютерных программ разработан по алгоритму, приведенному в монографии [1]. Разработанный пакет реализован на языке РОНТНЛН на базе персонального компьютера РепШш IV, фактическое время расчета одного цикла нагружения образца 7 минут. Программный комплекс позволяет определить полный тензор напряжений и деформаций образца, в т.ч. с учетом влияния неоднородного включения.

По известному напряженно-деформированному состоянию (НДС) образца можно установить характер его разрушения при поэтапном изменении нагрузки на образец. В процессе лабораторных испытаний, как отмечалось выше, фиксируется предельная нагрузка на образец, при которой происходит образова-

Распределение остаточной прочности сплошного (а) и с твердыми включениями (б) образца при моделировании МКЭ по алгоритму Кулона-Мора при степенной зависимости предельной огибающей кругов Мора

ние трещин на поверхности образца.

Согласно теориям прочности процесс зарождения трещины на образце и переход материала образца из допредельного в запредельное состояние можно оценить с помощью паспорта прочности. Как известно [2] в настоящее время, наиболее адекватно процесс разрушения пород можно описать с помощью теорий: максимальных касательных напряжений, максимальных сжимающих напряжений, энергетической теории, максимальных растягивающих напряжений, деформационной теории.

Результаты расчетов приведены на рисунке, где показано изменение отношения остаточной прочности пород к предельной по площади среднего поперечного сечения образца. Согласно рисунка, разработанная методика позволяет определять механиче-

1. Сегерлинд Ё. Применение метода конечных элементов/ Ё. Сегерлинд.- М.: Мир, 1979. - 392 с.

ское состояние горных пород в любой точке образца, в том числе с учетом его неоднородности.

На основе анализа результатов расчетов остаточной прочности по шести вышеприведенным паспортам установлено, что наиболее адекватные результаты получаются при использовании теории максимальных сжимающих напряжений, энергетической теории прочности, теории Кулона-Мора (максимальных касательных напряжений), в том числе при линейной огибающей кругов Мора и степенной зависимости предельной огибающей кругов Мора. Получить удовлетворительные результаты при использовании теории максимальных растягивающих напряжений не представилось возможным, т.к. разрушение пород в образце происходило до начала разрушения образца при проведении лабораторного эксперимента.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Ильницкая Е.И. Свойства горных пород и методы их определения/ Е.И. Ильницкая, Р.И. Тедер, Е.С. Ватолин и др. -М.: Недра, 1969.

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------

Разумова Ё.В. - аспирантка, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.