CC BY
24
© С.Е.Чирков, 2004
УДК 622.02:531 С.Е. Чирков
РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ*
Семинар №2
ТУ докладе на предыдущем дне горняка
-Я-* было показано [1], что обобщенным критериальным показателем сопротивляемости горных пород разрушению является предельная поверхность прочности горных пород в условиях различных напряженных состояний (предельная поверхность прочности при сдвиге в функции нормальных напряжений и параметра Надаи-Лодэ, а также предельная деформация сдвига при тех же условиях разрушения) [2].
Испытать горные породы при трехосном неравнокомпонентном сжатии т.е. при любых значениях параметра Надаи-Лодэ, весьма сложно. Для этого необходимо создание специальных испытательных машин или устройств для серийных прессов. Такие установки были созданы. Так, в ГДР Фрайбергской горной академией совместно с институтом шахтной техники безопасности и заводом Veb Werkstoffprufmas-chmen создана установка ДВ 600/300, в которой сжатие горной породы в виде кубических образцов осуществляется металлическими плитами [3]. Максимальное вертикальное сжатие образца производится 600 тонным прессом, а сжатие по двум другим осям - посредством гидродомкратов с усилиями до 300 т, которые смонтированы в массивном металлическом кольце, закрепленном на перемещающейся в пределах пресса каретке на пружинной подвеске. Максимальные размеры образца 200х200х 200
Рис. 1. Установка трехосного неравнокомпонентного сжатия: 1 - камера высокого давления (камера Кармана); 2 - испытуемый образец в форме куба; 3 - шлифованные пластины; 4 - датчики деформаций; 5,6 - нижняя и верхняя угловые матрицы; 7 - пазы; 8 - подшипник; 9-насос; 10-манометр
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 64063а.
мм, минимальные 50x50x50 мм. При изменении размера образцов предусмотрена замена давильных плит. Давильные плиты при испытании образцов 200х200х 00 мм имеют размер 180x180x180 мм с тем, чтобы при деформации образца плиты не соприкасались. Аналогичные по схеме нагружения образцов создавались установки и в СССР (ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, ИПКОН РАН, ИГТМ АН Украины). В таких условиях сжимающие образец нагрузки передаются не через всю площадь грани образца, а только через поверхность его центральной части. Это приводит к возникновению в образце сложной картины напряженного состояния с высокой концентрацией напряжений в образцах у ребер нагружающих плит. Только центральная часть
Результаты испытаний образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния при двух схемах нагружения (1 серия испытаний)
Установка типа Кармана Установка трехосного сжатия с нагружа го чем образец разме ющими плитами меньше-рпами
Сечение образцов, 80, см2 СТ2 —СТэ, МПа МПа Сечение образцов 80, см2 ^2— СТэ— Г2/80. МПа аі—Еі/80 МПа СТ2 — СТэ— Гг/ 8 „л, МПа СТ1— Гі/8ИЛ , МПа.
1 2 3 4 5 6 7 8
Антрацит
9,0 0 13,9 10,6 0 23,0 0 42,0
8,8 0 18,2 9,6 0 4,7 0 7,8
10,2 0 4,9 9,9 0 14,6 0 25,0
1 2 3 4 5 6 7 8
9,9 0 6,4 9,0 0 12,2 0 19,0
1 2 3 4 5 6 7 8
8,1 0 14,8 10,6 0 4,7 0 8,7
- - - 8,8 0 6,8 0 10,3
1 2 3 4 5 6 7 8
Среднее 11,6 11,0 18,8
9,6 8,0 29,2 9,0 13,2 30,0 20,4 46,7
9,0 8,0 29,0 9,0 13,2 34,4 20,4 53,2
9,9 8,0 34,4 9,0 13,2 39,0 20,4 60,3
Среднее 30,8 34,5 53,4
8,7 16,0 50,5 9,3 22,0 45,0 34,0 72,8
9,3 16,0 40,0 9,0 22,0 45,5 34,0 70,8
9,3 16,0 44,0 9,3 22,0 48,5 34,0 77,5
Среднее 44,8 46,3 73,7
Песчаник
9,0 0 86,5 8,4 0 49,0 0 71,0
8,4 0 77,0 8,8 0 37,0 0 56,0
9,3 0 75,0 9,3 0 59,5 0 79,5
Среднее 79,5 45,2 68,8
1 2 3 4 5 6 7 8
8,4 50,0 274 9,6 44,0 125 68,0 235
9,0 50,0 293 9,3 44,0 167 68,0 269
8,4 50,0 317 8,4 44,0 164 68,0 234
Среднее 295 153 246
9,6 100 460 8,7 79,0 215 123 322
9,6 100 420 8,1 79,0 235 123 330
9,6 100 422 9,6 79,0 225 123 373
Среднее 434 225 342
Кристаллический сланец
8,1 0 222 9,0 0 71,4 0 110
9,0 0 194 9,0 0 60,0 0 93,0
9,0 0 267 9,0 0 75,5 0 117
Среднее 228 69,0 107
8,7 50,0 460 9,0 44,0 273 68,0 422
9,0 50,0 444 9,0 44,0 300 68,0 465
9,0 50,0 440 9,0 44,0 233 68,0 362
Среднее 448 269 416
8,7 100 540 9,0 79,0 300 123 465
8,7 100 578 9,0 79,0 348 123 537
9,0 100 581 9,0 79,0 318 123 495
Среднее 566 322 499
_____________________________________________________Мрамор________________________________________________________
9,3 І О I 47,3 I 9,0 І 0 I 22,2 І О I 35,0
ПО І Г\ I ОС Л І П Л І Г\ I 00/1 I Г\ I Л Л с\
1 2 3 4 5 6 7 8
Среднее 64,0 28,0
9,9 40,0 228 9,0 44,0 188 68,0 293
9,6 40,0 224 9,0 44,0 166 68,0 258
9,3 40,0 225 9,0 44,0 174 68,0 269
Среднее 226 176 273
9,3 100 420 9,0 79,0 213 123 333
9,3 100 383 9,0 79,0 267 123 415
9,0 100 399 8,4 79,0 262 123 406
Среднее 401 247 383
Габбро
9,0 0 128 9,0 0 53,0 0 83,0
9,0 0 103 9,3 0 55,0 0 88,0
9,3 0 138 9,3 0 42,0 0 67,0
Среднее 123 50,0 79,3
9,0 50,0 389 9,3 44,0 284 68,0 445
9,9 50,0 334 9,0 44,0 230 68,0 360
9,3 50,0 317 9,0 44,0 266 68,0 415
Среднее 345 260 407
1 2 3 4 5 6 7 8
9,3 80,0 475 9,3 79,0 408 123 655
8,7 80,0 490 9,0 79,0 326 123 505
8,7 80,0 496 9,0 79,0 413 123 643
Среднее 487 382 601
образца находится в том напряженном состоянии, которое создается при опыте. Однако оставалось не выясненным, каково же влияние упомянутой сложной картины напряженного состояния образца на его прочность? Для ответа на этот вопрос нами были выполнены специальные экспериментальные исследования прочности пяти разновидностей горных пород в установке типа Кармана (когда боковые напряжения создаются сжимающей образец жидкостью, а вертикальная максимальная сжимающая нагрузка передается пуансоном сечением не менее размера торца образца, т.е. без концентрации напряжений в образцах у ребер нагружающих плит) и на установке по выше описанной схеме с концентрацией напряжений в образцах . Чтобы создать условия на контактах с образцом при испытаниях в обоих установках одинаковыми, все образцы покрывались несколько раз клеем № 88 и смазывались перед испытаниями маслом, которое являлось также рабочей жидкостью в камере Кармана.
Результаты сравнительных испытаний приведены в табл. 1.
Рассмотрение полученных результатов показывает, что для всех пород прочность, определенная в установке типа Кармана (без концентрации напряжений вблизи ребер нагружающих плит), значительно больше прочности, определенной в установке трехосного сжатия с нагружением металлическими плитами
меньшего чем образец размера. Это различие уменьшается, если сжимающие образец нагрузки при оценке напряжений делятся не на сечение испытываемых образцов, а на площадь нагружающих плит. Исключение составляют трещиноватые антрациты, для которых концентрация напряжений в образцах у ребер нагружающих плит не оказала существенного влияния, по-видимому, вследствие наличия в образцах антрацита трещин - естественных концентраторов напряжений. Этим же объясняется и большой разброс показателей прочности антрацитов.
Таким образом, испытания образцов горных пород даже на таких громоздких и сложных установках не позволяют получить достоверных результатов о прочностных и деформационных характеристиках горного массива в условиях различного напряженного состояния.
Нами был предложен новый способ испытаний и установка, которые позволяли передавать нагрузки через всю поверхность граней испытываемых образцов [4]. На рис. 1 показана созданная в ИГД им. А.А. Скочинского установка, в которой передача нагрузки на образец передается по двум осям образца нагружающими плитами, а по третьей оси давлением жидкости.
Анализ табл. 1 показал, что наибольшее расхождение показателей прочности по двум методам нагружения наблюдается при
Результаты испытаний образцов горных пород в условиях объемного напряженного состояния при двух схемах нагружения (2 серия испытаний)
Установка типа Кармана
Сечение образцов ст2 —стэ, МПа СТі , Сечение образ- СТ2 — Стэ— Г2/8, Оі—Рі/8,
8, см2 МПа цов 8, см2 МПа МПа
1 2 3 4 5 6
Установка трехосного сжатия с концентрацией на-
Антрацит
9,6 8,0 29,2 9,0 8,0 30,3
9,0 8,0 29,0 9,4 8,0 28,2
9,9 8,0 34,4 9,6 8,0 34,0
Среднее 30,8 30,2
8,7 16,0 50,5 9,0 16,0 47,0
9,3 16,0 40,0 9,4 16,0 40,5
9,3 16,0 44,0 8,7 16,0 42,3
Среднее 44,8 43,3
Песчаник
8,4 50,0 274 8,6 50,0 250
9,0 50,0 293 9,0 50,0 290
8,4 50,0 317 8,5 50,0 305
Среднее 295 282
9,6 100 460 8,9 100 455
9,6 100 420 8,7 100 430
9,6 100 422 9,0 100 407
Среднее 434 431
КЕ
исталлическии сланец
Среднее 228
8,7 50,0 460 9,2 50,0 453
9,0 50,0 444 9,0 50,0 400
9,0 50,0 440 8,9 50,0 433
Среднее 448 429
8,7 100 540 9,0 100 520
8,7 100 578 9,0 100 548
9,0 100 581 9,0 100 588
Среднее 566 552
Мрамор
9,9 40,0 228 9,0 40,0 225
9,6 40,0 224 9,2 40,0 230
9,3 40,0 225 9,0 40,0 214
Среднее 226 220
9,3 100 420 9,1 100 416
9,3 100 383 9,0 100 460
1 2 3 4 5 6
9,0 100 399 8,6 100 362
Среднее 401 413
Габбр!
9,0 50,0 389 9,0 50,0 380
9,9 50,0 334 9,6 50,0 320
9,3 50,0 317 8,8 50,0 306
Среднее 345 335
1 2 3 4 5 6
9,3 80,0 475 9,0 80,0 456
8,7 80,0 490 9,5 80,0 480
8,7 80,0 496 8,9 80,0 478
Среднее 487 473
Рис. 2. Схема устройства для двухосного нагружения образца
одноосном сжатии. Было решено на этих же горных породах повторить испытания при другой схеме нагружения образцов. Вторая серия испытаний предусматривала нагружение испытываемых образцов осуществлять таким образом, чтобы нагружающие образец плиты устройства по направлению максимального сжатия были равны или больше размера соответствующей грани образца. Другие - боковые грани нагружались также, как и в предыдущей схеме, т. е. нагружающие образец плиты были меньше размеров соответствующих боковых граней. Результаты этих экспериментальных исследований представлены в табл. 2.
Как видно из таблицы, вновь предложенная схема нагружения является вполне приемлемой. Незначительное уменьшение пределов прочности объясняется имеющейся концентрацией напряжений вблизи ребер испытываемых образцов.
Таким образом, для получения более достоверной информации в имеющихся сложных установках по испытаниям горных пород в условиях трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния рекомендуется изменить конструкцию нагружающих плит, сделав их для нагружения испытываемых образцов в направлении максимального сжатия равными или больше размеров образцов, что позволит передать усилия сжатия на все сечение образца. Боковые нагрузки допустимо передавать плитами, имеющими меньшие чем образец размеры (на величину возможной деформации).
Опыт исследований механических свойств горных пород показывает, что только после разработки простых и не трудоемких способов испытаний возможно накопление данных о свойствах горных пород. В частности, это подтвердилось при разработке простых методов испытаний горных пород при одноосном растяжении и сжатии (метод раскалывания и сжатия образцов полуправильной формы). За короткий промежуток времени были выполнены массовые испытания прочности горных пород при растяжении и созданы соответствующие классификации. По прочности же горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия из-за сложности испытаний данных чрезвычайно мало.
Учитывая результаты экспериментальных исследований, показанных в табл. 1 и 2, можно упростить предложенный нами ранее способ испытаний, заменив нагружение по третьей оси (минимальное сжимающее напряжение) рабочей жидкостью на нагружение жестким пуансоном, размером меньшим чем испытываемый образец (рис. 2).
Чтобы еще более упростить испытания горных пород в условиях трехосного неравнокомпонентного сжатия в ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского в настоящее время создается новое более простое устройство.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чирков С.Е. Предельная поверхность прочности горных пород и критерии сопротивляемости их разрушению. Горный проблемно-аналитический бюллетень. -М.: Изд-во МГГУ. 2002, №9, с. 74-75.
2. .Шемякин Е.И. Две задачи механики горных порол, связанных с разработкой глубоких месторождений угля и руды // ФТПРПИ. - 1975. - №6. -С. 29-4.
3. Buchheim W, Hofer K.H. , Meiser C. . Ein echtes Triaxialgerat zur Messing der Gesteinseigenschaften unter hohen Drucken. Bergakademie, Bd. 17, №8, s 461-465, 1965.
4. Чирков С.Е. Способ испытаний горных пород. Автор. свид. №279534. Бюлл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1970, №27.
Коротко об авторах
97
