Механические свойства горных пород

Стандартными методами изучения прочностных и упругих свойств горных пород являются одноосное сжатие и статического вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием.

Одноосное сжатие

Испытания при одноосном сжатии проводят на цилиндрических образцах диаметром 40…50 мм, с отношением длины образца l к его диаметру d, близким к единице. При одноосном сжатии имеет место простое напряженное состояние, т.к.

σ₁ = σ₂ = 0; σ₃ < 0,

где σ₁, σ₂ и σ₃ – компоненты главных нормальных напряжений.

Схема испытания горной породы при одноосном сжатии приведена на рис. 1.1, а. Образец породы нагружается до его разрушения. По величине максимальной нагрузки P_max и площади F начального поперечного сечения образца горной породы определяют предел прочности на одноосное сжатие:

s_сж = P_max/F, (1.1)

где F = = 0,785d².

Измерения упругого изменения длины Δl и диаметра Δd образца горной породы, как показано на рис. 1.1, б, позволяют определить основные показатели упругих свойств горной породы: модуль упругости горной породы при одноосном сжатии (модуль Юнга) Е_сж и модуль поперечной деформации (коэффициент Пуассона) m_сж:

Е_сж = ; (1.2)

m_сж = , (1.3)

где l и d - начальные длина и диаметр образца горной породы.

а б

Рис. 1.1. Схема испытания горной породы при одноосном сжатии (а) и графики зависимостей Δd и Δl от Р (б)

Классификация горных пород по величине прочности на одноосное сжатие приведена в табл.1.1. Из табл. 1.1 видно, что горные породы по прочности разделены на пять групп и двенадцать категорий. В соответствии с этой классификацией готовят породоразрушающие инструменты зарубежные фирмы.

Таблица 1.1

Классификация горных пород по показателю прочности

на одноосное сжатие

Неравномерное всестороннее сжатие характерно для горных пород в условиях их залегания. Оно характерно тем, что хотя бы одно главное напряжение не равно двум другим, а все главные напряжения не равны нулю.

Испытания горных пород в условиях всестороннего сжатия показали:

1) хрупкие горные породы в условиях простого напряженного состояния становятся пластично-хрупкими в условиях всестороннего сжатия;

2) предел текучести и предел прочности горных пород растут по мере увеличения среднего нормального напряжения, характеризующего уровень всестороннего сжатия; 3) энергоемкость разрушения горной породы также возрастает по мере увеличения среднего нормального напряжения.