Лабораторное исследование деформирования соляных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Лабораторное исследование деформирования соляных пород

В.А. Асанов, A.A. Барях, В.М. Жигалкин, И.Л. Паньков,

В.Н. Токсаров, О.М. Усольцева, П.А. Цой

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия Горный институт УрО РАН, Пермь, 614007, Россия

Проведена экспериментально-исследовательская работа по изучению параметров деформирования образцов соляных пород (пестрый сильвинит (пласт Б) и каменная соль (подстилающая толща) Верхнекамского калийного месторождения) цилиндрической формы (диаметр d = 38 мм, высота h = 76 мм) в условиях объемного сжатия.

На основе полученных экспериментальных данных установлено, что при одинаковом боковом давлении прочность каменной соли на 20-25 % выше аналогичного показателя для пестрого сильвинита, влияние бокового давления на величину разрушающей деформации в интервале 0-8 МПа с достаточной степенью точности аппроксимируется линейной зависимостью. При этом деформационные характеристики для сильвинита и каменной соли практически совпадают.

Для образцов каменной соли наблюдается более высокая степень разуплотнения, чем для сильвинита, что объясняется их более высокой хрупкостью разрушения. В целом, для большинства исследуемых прочностных и деформационных параметров отмечается увеличение их абсолютных значений с повышением бокового давления. Исключение составляют секущий модуль деформации и модуль спада.

Laboratory study of saline rock deformation

V.A. Asanov, A.A. Baryakh, VM. Zhigalkin, I.L. Pankov,

VN. Toksarov, O.M. Usoltseva, and P.A. Tsoi

Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia Mining Institute UB RAS, Perm, 614007, Russia

Experimental investigation has been conducted to study the deformation parameters of saline rock samples (variegated sylvinite (bed B) and rock salt (underlying bed) of the Verkhnekamsk potassium deposit) of cylindrical shape with the diameter d = 38 mm and height h = 76 mm under bulk compression.

The experimental findings show that at the same lateral pressure the rock salt strength is by 20-25 % higher than for variegated sylvinite. The influence of lateral pressure on breaking strain in the interval 0-8 MPa is quite accurately approximated by a linear dependence. In this case, the deformation characteristics for sylvinite and rock salt almost coincide.

The rock salt samples exhibit greater softening than sylvinite, which is due to their higher brittleness. Generally, the absolute values of most of the studied strength and deformation parameters increase with lateral pressure growth. Exceptions are the secant modulus of deformation and drop modulus.

1. Введение

Массив горных пород, вмещающих конструктивные элементы системы разработки, находится в объемнонапряженном состоянии, которое существенно изменяется в процессе ведения горных работ. При этом характер деформирования пород зависит как от величины действующих в массиве напряжений, так и от накопленных неупругих деформаций. Это хорошо иллюстри-

руется результатами построения теоретических диаграмм, основанных на энергетическом представлении о накоплении повреждений [1]. Необходимость оценки поведения горных пород при объемном нагружении продиктована широким спектром теоретических и практических задач, возникающих при геомеханическом анализе состояния подработанного массива, в частности оценки опасности затопления калийных рудников.

© Асанов В.А., Барях А.А., Жигалкин В.М., Паньков И.Л., Токсаров В.Н., Усольцева О.М., Цой П.А., 2008

СТ1

£3 и

Рис. 1. Схема определения параметров деформирования

2. Анализ результатов экспериментов

Изучение параметров деформирования в условиях объемного сжатия проводилось на образцах соляных пород цилиндрической формы (диаметр d = 38 мм, высота h = 76 мм), представленных пестрым сильвинитом (пласт Б) и каменной солью (подстилающая толща) Верхнекамского калийного месторождения. С целью минимизации разброса результатов эксперимента изго-

товление образцов каждой серии производилось из единого породного монолита. Исследования выполнялись на испытательном комплексе Центра коллективного пользования «Физико-механические свойства материалов и горных пород» СО РАН, состоящем из сервогид-равлического пресса 1шй*оп 8802 (максимальное усилие — 350 кН), поддерживающего «жесткий» режим нагружения, камеры объемного сжатия (максимальное давление — 40 МПа), оснащенной датчиками для измерения нагрузок и деформаций образца, а также многоканальной тензометрической станцией. Комплекс обеспечивал автоматическую запись результатов эксперимента в память компьютера в режиме реального времени. Начальное задание бокового давления производилось пропорционально осевой нагрузке. Объемные испытания осуществлялись по схеме Кармана (а1 > а2 = а3) при следующих уровнях бокового давления: 0, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10, 20 МПа (сильвинит) и 0, 1.0, 2.5, 5.0, 10 МПа (каменная соль).

Обработка диаграмм нагружения велась по методикам, изложенным в работах [2, 3]. Схема определения параметров приведена на рис. 1. В процессе исследования определялись следующие параметры: предел прочности а|*р, разрушающая деформация , остаточный предел прочности а°ст, деформация на пределе остаточной прочности £°ст, поперечная деформации на пределе прочности е2р, модуль упругости Е, касательный

Деформация, %

Деформация, %

Рис. 2. Экспериментальные диаграммы деформирования образцов пестрого сильвинита, полученные при различном боковом давлении а3 = 0 (а), 1.0 (б), 2.5 (в), 5.0 (г), 7.5 (д), 10.0 (е), 20.0 МПа (ж)

модуль деформации Ву, секущий модуль деформации Впр, модуль спада М.

Следует отметить, что при боковом давлении, превышающем 5 МПа, при выходе образца на стадию разупрочнения (в момент образования магистральных трещин), как правило, происходил разрыв резиновой манжеты, защищающей образец. При этом масло под давлением проникало в поры образца, что приводило к его «квазихрупкому» разрушению. Данное обстоятельство ограничило получение запредельных характеристик при давлении, превышающем 5 МПа. Для определения модуля упругости при испытании образцов каменной соли производилась разгрузка образца, также осуществлявшаяся при постоянном боковом давлении. Диаграммы деформирования образцов представлены на рис. 2 (сильвинит) и рис. 3 (каменная соль).

Анализ результатов показал, что отличие одноосного сжатия от объемного нагружения заключается, в первую очередь, в появлении на диаграмме деформирования ветви остаточной прочности, что обусловлено влиянием бокового давления на дезинтегрированные в процессе трещинообразования частицы образца. Также при переходе от одноосного к объемному сжатию происходил резкий рост несущей способности образца (рис. 2, а, б и рис. 3, а, б). При дальнейшем увеличении бокового давления рост несущей способности образца происходил менее интенсивно.

Под воздействием сжимающих усилий образец претерпевал значительные пластические изменения (извлеченные образцы, не перешедшие на стадию разупрочнения, имели характерную бочкообразную форму), что вследствие конструкционных особенностей камеры трехосного сжатия ограничило возможность измерения больших продольных деформаций (до 30-35 %).

Изменение средних значений параметров деформирования образцов в зависимости от величины бокового давления приведено на рис. 4.

Сравнение полученных зависимостей показало, что при одинаковом боковом давлении прочность каменной соли на 20-25 % выше аналогичного показателя для сильвинита. Изменение максимальной несущей способности а|*р образца (рис. 4, а) достаточно хорошо описывается кривой, близкой к параболической огибающей.

Влияние бокового давления на величину разрушающей деформации е|1р в интервале 0-8 МПа с достаточной степенью точности аппроксимируется линейной зависимостью (рис. 4, б). При этом деформационные характеристики для сильвинита и каменной соли практически совпадают.

При увеличении бокового давления также наблюдается возрастание касательного модуля упругости Ву, определяемого по начальному (линейному) участку диаграммы деформирования (рис. 4, г). Несмотря на большой разброс полученных результатов достаточно четко

Деформация, %

Деформация, %

Рис. 3. Экспериментальные диаграммы деформирования образцов каменной соли, полученные при различном боковом давлении аз = 0 (а), 1.0 (б), 2.5 (в), 5.0 (г), 10 (д)

Боковое давление, МПа

ф 4

=г

(С

о.

о

■а

ф

/[ / / [±

□ /с р' ( ]

1 1 1 1 —і—

5 10 15 20

Боковое давление, МПа

30-

го 20

?10

• \ж

30-

Г 20-

ю-

\б_

/

2 4 6

Боковое давление, МПа

-0-

ф

о- А Ьд

Ч "I о □ '^о\

—о 1 О \ ^

I Л Я

- I О -20- \ \

25

2 4 6

Боковое давление, МПа

-0.2'

сс

(С -0.4'

[з

1 1 1

2 4

Боковое давление, МПа

Боковое давление, МПа

Боковое давление, МПа

Сильвинит

------ Каменная соль

2 4

Боковое давление, МПа

Рис. 4. Влияние величины бокового давления на характер изменения параметров деформирования сильвинита и каменной соли: предела прочности (а), разрушающей деформации (5), секущего модуля деформации (в), касательного модуля деформации (г), поперечной деформации на пределе прочности (д), остаточного предела прочности (е), деформации на остаточной прочности (ж), модуля спада (з)

прослеживается линейный характер изменения данного модуля с увеличением бокового давления. При этом для каменной соли полученная характеристика изменяется более интенсивно (в 1.5-2 раза), чем для сильвинита.

Результаты определения величины поперечной деформации е^р в момент достижения образцами предела прочности показаны на рис. 4, д. Характер изменения с ростом бокового давления близок к параболической зависимости. Для образцов каменной соли наблюдалась более высокая степень разуплотнения, чем для сильвинита, что объясняется их более высокой хрупкостью разрушения.

С увеличением бокового давления наблюдается воз-

~ ост

растание предела остаточной прочности ах , а также деформации еОст, соответствующей данному прочностному параметру (рис. 4, е, ж). При этом интенсивность роста деформации остаточной прочности существенно снижается с тенденцией ее выхода на асимптоту.

В целом, для большинства исследуемых прочностных и деформационных параметров отмечается увеличение их абсолютных значений с повышением бокового давления. Исключение составляют секущий модуль деформации Впр и модуль спада М, для которых имеет место резкое снижение численных показателей при

Рис. 5. Зависимость модуля упругости каменной соли от нормированной деформации разгрузки

изменении давления от 0 до 2 МПа с последующей тенденцией выхода на асимптоту (рис. 4, в и з).

Оценка влияния бокового давления на величину модуля упругости не позволила выявить однозначной зависимости. В этой связи был проведен анализ влияния на данный параметр нормированной деформации разгруз-

ки, определяемой как отношение деформации, при которой производится разгрузка образца е^ (рис. 1), к величине разрушающей деформации е^р. Полученные данные приведены на рис. 5.

Исследования показали, что наблюдается возрастание модуля упругости с увеличением нормированной деформации разгрузки. Это объясняется тем, что предложенный нормированный аргумент характеризует текущую поврежденность образца горной породы под действием сжимающих усилий, отражающую нарушение упругих связей ее минерального скелета.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-05-96019 р_урал_а) и Интеграционного проекта УрО РАН № 05-11-04.

Литература

1. Панъков И.Л., Асанов В.А., Аникин В.В. Изучение характера неупру-

гого деформирования сильвинита при объемном нагружении // Физика горных пород: Сб. научных трудов по материалам Симпозиума «Неделя горняка-2006». - М.: МГГУ, 2006. - С. 96-103.

2. Карташов Ю.М., Матвеев Г.В., Михеев Г.А., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. - М.: Недра, 1979. -269 с.

3. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. - СПб.: Наука, 2001. - 343 с.

Поступила в редакцию 15.11.2007 г.