Исследование механических свойств горных пород

Механическими свойствами горных пород называются такие, которые определяют их поведение под воздействием внешних усилий - нагрузки - и проявляются в сопротивлении разрушению и деформации. Свойство горных пород сопротивляться разрушению и образованию больших остаточных деформаций под воздействием нагрузки, или, точнее,,, воспринимать не разрушаясь в определенных пределах и условиях те или иные нагрузки называется прочностью, а их свойство изменять под нагрузкой форму сложения и объем - деформацией. Эти свойства выражают и оценивают прочностными и деформационными показателями.

Природа прочности горных пород отличается значительной сложностью. В зависимости от влияния тех или иных факторов их прочность может изменяться в широких пределах, они могут быть очень прочными, прочными, средней прочности, малой прочности и очень малой. Кроме того, прочность одних горных пород проявляется полной мере и сразу, у других она изменяется во времени. В соответствии с этим можно говорить об условно-мгновенной, или стандартной и длительной прочности.

От различной прочности горных пород зависит их деформируемости. Деформации, при прочих равных условиях, могут изменяться по абсолютной и относительной величине, характеру, т.е. быть обратимыми и необратимыми и развиваться быстро (мгновенно) или медленно во времени.

Для скальных пород характеры упругие свойства, а полускальные являются только частично упругими. Для оценки упругих свойств служат показатели, характеризующие способность горных пород упруго сопротивляться деформациям. Основными показателями деформационных свойств горных пород являются: модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент бокового давления, модуль общей деформации и др.

Прочность скальных и полускальных пород определяется не только их петрографическими особенностями, величиной и характером действующей нагрузки, но и условиями ее приложения.

В соответствии с этим для скальных и полускальных горных пород различают прочность на сжатие, растяжение, скалывание.

Наиболее характерными и употребительными из показателей механических свойств горных пород является прочность при одноосном сжатии, часто именуемая крепостью пород. Этот показатель используется при выборе системы разработки, технологии горных работ и применяемого для них горного оборудования, принимается за основу нормирования оплаты горных работ.

Прочность при растяжении играет существенную роль для оценок устойчивости кровли подземных выработок, прогибающейся при больших пролетах и отрывающейся при зависании.

Показатели механических свойств пород в зависимости от точности расчетов, в которых они используются, и от объема каменного материала пробы определяются нормальными, упрощенными и грубыми методами (11). Нормальными считаются методы, обеспечивающие надежность получаемых результатов на 95-98%, упрощенными - на 85-90% и грубыми на 60-75%. Первыми методами испытываются 8-10 образцов из пробы для определения каждого показателя, вторыми - 4-5 и третьими 2-3 образца. На этапе поисковой разведки допускается определять механические свойства пород с надежностью, соответствующей грубым методам испытаний.

На этапе предварительной и детальной разведки (и доразведки) надежность механических испытаний должна соответствовать нормальным или упрощенным методам испытаний с определением средней пробы величины и коэффициента вариации каждого определяемого показателя. Грубые методы испытаний и оценок механических свойств пород допускаются в случаях:

- определения предела прочности при сжатии слабых разновидностей угля и пород, пробы которых представлены в виде мелочи размером не менее 20·20·10 мм и непригодны для испытаний нормальными или упрощенными методами;

- испытание проб слоев, прослоев, пластов мощностью менее 0.3 м, отбираемых в количестве , недостаточном для проведения испытаний методами нормальной надежности.

В качестве значений показателей механических свойств пород, определяемых грубыми методами, принимаются результаты повторных испытаний образцов, различающихся между собой не более, чем на 25-30%.

.Оборудование, инструменты и материалы, применяемые при

лабораторном исследовании механических свойств горных пород

Для определения механических свойств горных пород применяют следующее основное оборудование, инструменты и материалы:

установки колонкового бурения или станок вертикально-сверлильный с твердосплавными или алмазными коронками с внутренним диаметром от 40 до 100 мм для выбуривания образцов из проб горных пород; станки камнерезные (типа САСП или СКУ), снабженные отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм для изготовления образцов; станок шлифовальный с чугунным диском, вращающимся вокруг вертикальной оси, любой конструкции для шлифовки плоских поверхностей образцов; стойку типа С-111 с индикатором часового типа или многооборотным для контроля параллельности поверхностей образцов горных пород; пресс с гидравлическим приводом или универсальную испытательную машину мощностью на 20-30% превышающей разрушающую образец силу - для испытания образцов, эксикатор для хранения проб гигроскопических пород; угольник поверочный 90^о типа УП и штангенциркуль для контроля параметров образцов горных пород, материал шлифовальный.

.Методы определения предела прочности

горных пород при одноосном сжатии

Нормальные методы

а) Метод одноосного сжатия цилиндрических образцов

стальными плитами

Сущность метода заключается в определении максимальной разрушающей силы при одноосном сжатии цилиндрического образца породы диаметром 40-50 мм.

Образцы цилиндрической формы изготавливают путем выбуривания керна из монолитов или керна большого диаметра с последующим разрезанием на куски высотой, равной диаметру. Отношение высоты и диаметра допускаются от 0.9 до 1.1.

Торцовые поверхности образца при необходимости шлифуют. Неровность поверхности должна быть не более 0.05 мм. Торцовые поверхности образца должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны боковой поверхности. Параллельность торцовых поверхностей контролируют индикатором по двум взаимно перпендикулярным диаметрам. Отклонение от параллельности допускается не более 0.1 мм по длине диаметра. Перпендикулярность торцовых плоскостей боковой поверхности контролируют поверочным угольником в 4-х точках каждой торцевой поверхности, смещенных относительно друг друга на 90^о.

Допускаемые отклонения при каждом замере не должны превышать1.0 мм по длине диаметра или высоте образца. Разность взаимно перпендикулярных диаметров поперечных сечений, контролируемых штангенциркулем в верхней, средней и нижней частях образца, не должна быть более 1.0 мм.

Образец породы устанавливают торцевой поверхностью в центре опорной плиты пресса или испытательной машины без каких-либо прокладок или смазки.

Приводят пресс в действие со скоростью нагружения в пределах 1-30 кгс/см² в зависимости от прочности породы. Выбранную скорость нагружения сохраняют до разрушения образца. При каждом испытании фиксируют максимальную разрушающую нагрузку с точностью силоизмерительного устройства пресса или испытательной машины.

Предел прочности при сжатии цилиндрического образца в М_па вычисляют по формуле:

R =P_max/F_p·10², где

P_max - максимальное значение разрушающей нагрузки Н;

F_{p =} p/4 ·d² » 0.785 d² - начальная площадь поперечного сечения образца, см²;

d -диаметр образца, см.

За окончательный результат принимают (`R_С ) - среднее арифметическое результатов всех определений по пробе и рассчитывают коэффициент вариации (V).

Описанный метод имеет ограниченное распространение по следующим причинам. Для определения предела прочности при сжатии согласно ГОСТу требуется не менее 9-10 образцов, что соответствует длине керна в пробе 60-70 см. При сокращенном комплексе испытаний потребуется керна не менее 1.2-1.4 м при условии, что представлен крепкими и плотными породами. Из пород слоистых средней крепости или тонкорассланцованных, что довольно часто имеет место в практике разведочных работ на уголь, возможно получение в лучшем случае 6-8 образцов, а в большинстве своем единичных образцов. Кроме того, слоистость керна должна быть перпендикулярной к его длинной оси или близкой к этому, так как по условиям испытаний разрушающая нагрузка при сжатии должна прилагаться только перпендикулярно слоистости. В условиях Донбасса породы угленосной формации залегают под разными углами и слоистость пород в керне, как правило, расположена не строго перпендикулярно к его оси. По этим же причинам этот метод не всегда позволяет изготавливать из керна цилиндрические образцы для определения предела прочности породы при сжатии параллельно ее слоистости.

б)Метод испытания образцов-дисков соосными пуансонами

Метод распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при сжатии не менее 5 Мпа и применяется в качестве косвенного метода нормальной надежности; эффективен при использовании в качестве проб пород буровых кернов, особенно при малом количестве породного материала в пробе, например, при опробовании маломощных слоев.

Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей нагрузки сжатия, приложенной в центре породного диска посредством соосных цилиндрических пуансонов, под действием которой возникают напряжения трехосного сжатия, приводящие к разрушению по плоскостям скалывания в центральной части образца и радиальному разрыву охватывающей его породы (Рис.2).

Образцы в виде цилиндрических дисков диаметром от 30 до 100 мм и толщиной 11 ± 1 мм изготавливают путем резки керна и шлифования плоских поверхностей дисков. Чистота поверхности - не ниже 9 класса по ГОСТ 2789-73. Непараллельность плоскостей измеряется индикатором и допускается не более ± 1 мм; отклонение от плоскостности (выпуклость или вогнутость) должно быть не более ± 0.03 мм. Штангенциркулем измеряют диаметры образца с точностью до 1 мм в двух взаимноперпендикулярных направлениях. За диаметр диска принимают среднее арифметическое этих измерений.

При ограниченном количестве породного материала допускается использовать для испытаний плоскопараллельные пластины некруглых очертаний в плане (косые срезы керна, плоские обломки), в контур поверхности которых можно вписать окружность диаметром не менее 30 мм.

За диаметр и центр приложения нагрузки принимают диаметр и центр окружности, вписанной в контур образца.

Рабочие торцы пуансонов должны быть плоскими и параллельными.

Образец устанавливают между пуансонами нагрузочного приспособления соосно с ними (на глаз) с точностью ± 1 мм. Приведя пресс в действие нагружают образец до разрушения. При каждом испытании фиксируют максимальную разрушающую нагрузку с точностью силоизмерительного устройства пресса или испытательной машины. Предел прочности при сжатии образца (R_c) в Мпа рассчитывают по формуле R_c =Р/А× 10^-2, где

Р - максимальное значение разрушающей нагрузки, Н;

А-расчетная(приведенная)площадь поперечного сечения образца,см².

Окончательную обработку результатов - определение среднего арифметического значения R_c , коэффициента вариации V - производят по общепринятым формулам.

Указанный метод имеет широкое распространение и эффективен при малом количестве кернового материала в пробе.

д)Метод раскалывания сферическими инденторами породных кусков произвольной формы, в том числе неправильной формы, с использованием корреляции показателей прочности

Сущность определения предела прочности при одноосном сжатии заключается в расчете его по установленным корреляционным зависимостям между пределом прочности цилиндрических образцов на одноосное сжатие и пределом прочности образцов произвольной формы на одноосное растяжение при нагружении сферическими инденторами.

Для испытания пригодны образцы произвольной и неправильной формы. Количество образцов, представляющих породную пробу, должно быть не менее пяти в случае применения образцов правильной формы и не менее восьми - при использовании образцов неправильной формы. При необходимости для устойчивого положения образца неправильной формы между инденторами на двух противоположных его поверхностях, непосредственно в местах предполагаемого контакта с индекторами, подготавливают любыми подходящими средствами примерно параллельные площадки размером не менее 10 х 10 мм. Степень их параллельности определяется условием устойчивости. Специальных требований к чистоте площадок контакта не предъявляются: допускается естественная шероховатость после откалывания геологическим молотком или обработки напильником.

Проведение испытания

Образец устанавливают между индекторами так, чтобы обеспечить нагружение в требуемом направлении, что достигается соответствующей ориентацией оси нагружения. Наиболее рациональные схемы испытаний образцов некоторых типичных форм с соответствующей изотропным породам ориентацией и очертанием вероятных поверхностей разрыва приведены на рис.4. Испытания признают действительными в случае сквозного раскола (разрыва), проходящего через ось нагружения образца. При разрушении типа косого скола (от точек нагружения к боковым граням образца) испытание считают недействительным.

Для предотвращения разрушения типа косого скола достаточно, чтобы ось нагружения совпадала с наименьшим линейным размером образца или была удалена от ближайшей боковой грани на расстояние не менее половины расстояния между точками приложения нагрузок по оси нагружения.

Образовавшиеся обломки допускается использовать для повторного испытания при условии, что их размеры удовлетворяют требованиям, указанным выше, а образующаяся при повторном раскалывании поверхность разрушения не проходит через ось нагружения первоначального испытания.

При испытании измеряют: максимальную разрушающую нагрузку Р_р в ньютонах с точностью силоизмерительного устройства испытательной машины или пресса, площадь фактической поверхности разрыва образца правильной формы по его линейным размерам в см² с точностью до первого знака после запятой, и площадь фактической поверхности разрыва образца неправильной формы, прикладывая обломок образца поверхностью разрыва к листу миллиметровой бумаги и обводя контуры этой поверхности карандашом.

При разрыве образца на две части вычисляют величину фактической площади поверхности сквозного размыва образца S_рв м² · 10^-4; по результатам измерения линейных размеров образцов правильной формы или по очертаниям контура фактической поверхности разрыва образцов неправильной формы. В последнем случае применяют либо метод непосредственного подсчета по миллиметровой сетке, либо сводят сложную конфигурацию контура к одной или нескольким простейшим неометрическим фигурам (напр. трапеция - рис.5в), либо применяют планиметр, палетки и др. При этом резко выступающие периферийные части контура в виде остроконечных пиков в расчет не принимаются (заштрихованная площадь).

При разрыве образца на число частей больше двух (Рис.5г) расчетную величину фактической площади поверхности сквозного разрыва образца (S_р) в м² · 10^-4 вычисляют по формуле:

S_р = 2· (S₀₁ + S_{02 +} ...+ S_0п)/п, где

S₀₁ , S_{02 ,} ..., S_0п - площади полуповерхностей разрыва, поверхностей разрыва по каждому из направлений разрыва (см.рис.5г.); n - число частей разрыва.

Предел прочности горной породы на одноосное растяжение (R_р) вычисляют по формуле:

R_{р =}0.75 · Р_р /S_p · K_m ;

где K_{m -} безразмерный масштабный коэффициент, принимаемый равным 1.00 при S_p = (15 ± 3) м² · 10^-4.

Указанный метод применяется в тех случаях, когда в пробе недостаточно породного материала и для получения более полной информации значение предела прочности при сжатии породы вычисляется по корреляционным зависимостям, кроме того при испытаниях слабых, трещиноватых и расслаивающихся пород и углей, из которых не представляется возможным изготовить образцы правильной формы для прямых определений предела прочности на сжатие.