Механические методы разрушения горных пород

Разрушение твердых тел происходит вследствие их деформирования под действием предельных растягивающих, сжимающих и касательных напряжений. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой происходит рост трещин и нарушается его целостность, то наступает необратимое разделение тела на части. Под разрушением твердого тела понимается исчерпание его несущей способности, которое происходит вследствие развития трещин. Способность горной породы сопротивляться деформированию без нарушения сплошности будем называть прочностью,а способность сопротивляться росту трещин — трещиностойкостью.

Взависимости от характера распределения напряжений процесс разрушения, т.е. явление, когда монолитное тело теряет сплошность и разделяется на отдельные составляющие, бывает только двух типов: отрывоми сдвигом.Следует иметь в виду, что на образованных при разрушении свободных поверхностях обязательно действовали растягивающие или касательные напряжения; при этом внешняя нагрузка могла быть сжимающей. В качестве примера можно привести лабораторные испытания образцов горных пород в условиях сжатия между плитами пресса, при которых определяют базовую прочностную характеристику — предел прочности на сжатие. Несмотря на то что внешняя нагрузка является сжимающей, образец разрушается под действием касательных и растягивающих напряжений, действующих на площадках разрушения. Что касается варианта с компонентами сжимающих напряжений на этих площадках, то их действие препятствует разрушению и, по существу, обусловливает упрочняющий эффект.

Разрушение отрывомявляется, как правило, хрупким, возникает в результате приложения растягивающих нагрузок, происходит по определенным плоскостям, характерным для кристаллической решетки твердого тела, а поверхность разрушения нормальна к растягивающему главному напряжению.

Разрушение сдвигомявляется вязким, связано с преимущественным действием касательных напряжений, происходит по плоскости скольжения частей твердого тела относительно друг друга до полного их разделения, а поверхность сдвига ориентирована под углом более 45° к направлению действия главных напряжений.

Отметим, что разрушение отрывом может наступать при отсутствии или наличии пластической деформации, а сдвиговое разрушение — только при наличии пластической деформации, сопровождающей акт скольжения. В общем случае любому типу разрушения предшествует пластическое деформирование материала — незначительное локальное или существенное объемное.

На процесс разрушения пород влияют: распределение напряжений в пространстве, характер изменения нагрузки во времени, температура тела, скорость деформации, физико-механические свойства и наличие дефектов сплошности, определяющих концентрацию напряжений.

Выделяют два основных, существенно различающихся вида разрушения: хрупкоеи вязкое.

Хрупкое разрушениевозникает, как правило, при низких температурах, а также при динамическом приложении растягивающих напряжений поперечно плоскости трещины. Для хрупкого разрушения типична острая, ветвящаяся трещина (рис. 3.1, а), которая распространяется с высокой скоростью и движение которой поддерживается за счет потребления накопленной в процессе деформирования потенциальной энергии деформаций. Хрупкое разрушение требует малых затрат энергии и продолжается до тех пор, пока накопленной энергии деформаций достаточно для образования новых поверхностей разрушения. Трещина распространяется, пока местные напряжения, возникающие в вершине трещины, не окажутся ниже теоретического предела прочности.

Вязкое разрушениесвязано с высокими температурами и происходит при малых скоростях деформаций. Оно реализуется в условиях как сжимающих, так и растягивающих внешних механических нагрузок. Вязкое разрушение сопровождается значительным пластическим деформированием и относительным скольжением двух областей среды. Для вязкого разрушения типична тупая, раскрывающаяся трещина (рис. 3.1, в), распространяющаяся с малой скоростью. Вязкое разрушение требует для своего развития значительных затрат энергии и характеризуется пластическим течением в условиях, когда касательное напряжение превышает предельное значение. В этом случае тело разделяется на части, ограниченные плоскостями сдвига.

Рис. 3.1. Вид трещин:

а — хрупкая трещина; б — распределение растягивающих напряжений в вершине хрупкой трещины; в — вязкая трещина; г— распределение напряжений в вершине вязкой трещины; 1 — область пластического деформирования

Скол— это разновидность хрупкого разрушения, при котором направление плоскости трещины связано с ориентацией кристаллической структуры, а именно с положением ее кристаллографических плоскостей.

Под нагружением понимается процесс приложения к твердому телу внешних сил, поверхностных или объемных, характеризуемых определенным законом изменения во времени. Процесс нагружения количественно описывается временем возрастания нагрузки до максимального значения. По фактору времени возрастания и действия нагрузки механическое нагружение условно делят на статическое, квазистатическоеи динамическое.

Статическое нагружение реализуется при бесконечно медленном приложении нагрузки. В буквальном смысле слова статическое нагружение возможно лишь теоретически, поскольку любое реальное нагружение осуществляется за конечное время. Предполагается, что при статическом нагружении фактор времени действия нагрузки не оказывает существенного влияния на основные показатели процесса разрушения.

Квазистатическимназывается нагружение, при котором время возрастания нагрузки до максимального значения превышает время двойного пробега звуковой волны до рассматриваемого элемента. Главным в определении понятия квазистатического нагружения является то, что к моменту достижения максимальной нагрузки все рассматриваемые элементы вовлечены в движение и действующие напряжения зависят от закона изменения нагрузки в месте ее приложения.

Динамическимназывается нагружение, при котором время возрастания нагрузки до максимума меньше времени прихода волны до рассматриваемого элемента. Таким образом, время является значимым фактором и необходимо учитывать особенности, когда одни части тела деформируются с временной задержкой относительно приложенной нагрузки.

В физике взрывных и ударных процессов используют понятие ударно-волнового нагружения.Ударно-волновое нагружение связано с распространением в теле волн напряжений. При этом тело частично поглощает энергию волны напряжений, которая расходуется на неупругое деформирование, реализуемое в форме пластического течения, образования микротрещин и повышения температуры. При таком нагружении может возникать ударная волна,для которой характерно движение элементов среды со сверхзвуковой скоростью, вызванной внешней нагрузкой.

Вид необратимых деформаций горной породы при ударно-волновом нагружении во многом определяется ее механическими свойствами, зависящими от минерального состава, температуры, условий деформирования, интенсивности нагружения и других факторов. Эти факторы имеют значение на протяжении всего процесса деформирования и разрушения тела, причем одни пластические деформации и микротрещины возникают сразу после приложения ударной нагрузки, другие — постепенно, с течением времени. Большинство твердых тел при ударно-волновом распространении нагрузки утрачивают способность к вязкому разрушению и становятся более хрупкими.

В соответствии с механизмами разрушения можно выделить три типа тел:

1) хрупкиетела — это классический объект линейной механики разрушения, в которой рассматриваются закономерности развития трещин;

2) полухрупкиетела; проявляют хрупкие и пластические свойства;

3) пластичные (вязкие)тела; склонны к большим дефор­мациям и существенно изменяют свою первоначальную форму. Об этих телах нельзя сказать, что они разрушаются в режиме образования трещин, однако при определенных условиях проявляют черты хрупкого разрушения.