Экспериментальное обоснование прочности и разрушения насыщенных осадочных горных пород (18.01.2010)

Автор: Карманский Александр Тимофеевич

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖНИЯ

1. Предельное и неупругое состояние насыщенных горных пород необходимо определять по условиям прочности и упругости, а также закономерностям их изменения, учитывая вид напряженного состояния, формы связи и виды влаги, величину порового давления и скорость деформирования.

. Установка позволяет исследовать компрессионные, фильтрационные и деформационные свойства пород и материалов при температуре до 250 0С; исследовать проницаемость образцов горных пород как в продольном, так и в поперечном направлениях с одновременной регистрацией поперечных и продольных деформаций.

Рис. 1. Схема установки для исследования физико-механических свойств горных пород (схема Беккера): 1(камера высокого давления; 2( домкрат, 3(блок распора; 4 – испытуемый образец.

Многочисленные натурные инструментальные наблюдения, лабораторные, а также аналитические оценки напряженного состояния массива горных пород, с учетом его разупрочнения и разрыхления, показывают, что различия в характере поведения горных пород

вблизи выработки обусловлены, с одной стороны, влиянием внешних факторов (скорость нагружения, вид напряженного состояния), с другой ( формами и видами связи влаги, поровым давлением насыщающих флюидов, структурой пород.

= 10-4 c-1.

= const прочность породы и угля уменьшается не только при одноосном сжатии (рис. 2), но и при сложном напряженном состоянии (рис. 3, кривые 1-3). С ростом давления всестороннего сжатия ?3 прочность пород как в воздушно(сухом состоянии, так и увлажненных возрастает (рис. 3, кривые 1-3). Максимум снижения прочности горных пород при увлажнении достигается при уровне влажности соответствующем максимальной гигроскопической влажности (рис. 2, точка перегиба кривых 3, 4 соответствует максимальной гигроскопической влажности).

Рис. 2. Зависимость предела прочности пород от влажности при одноосном сжатии (отрыве): 1 – среднезернистый песчаник; 2 – каинитовая порода; 3 – кварцевый песчаник; 4 – горючий сланец.

= const в трехосном напряженном состоянии с ростом порового давления Рп (МПа) снижается (рис.3 линии 3 / 6, рис. 4).

Рис. 3. Типичная зависимость прочности от влажности и порового давления, создаваемого водой, при сложном напряженном состоянии (кварцевый песчаник): С = ?3/?1 - интенсивность напряженного состояния; а = Рп/?3 –интенсивность порового давления; 1 ( воздушно-сухие; 2 – при гигроскопической влажности; 3- при полном водонасыщении; 4 – а = 0,5; 5 - а = 0,8; 6 ( а = 0,95.

Рис. 4. Типичная зависимость прочности от порового давления (каменный уголь, поровое давление создавалось азотом): 1 - ?3 = 5 МПа; 2 - ?3 = 10 МПа; 3 – ?3 = 20 МПа; 4 – ?3 = 40 МПа.

= const на прочностные характеристики образцов горных пород при естественной влажности проявляется в снижении пределов прочности и упругости как при одноосном, так и при трехосном напряженных состояниях (рис. 5). С ростом давления всестороннего сжатия ?3 прочность пород возрастает.

Рис. 5. Типичная зависимость прочности от температуры (известняк).

Результаты исследований механических свойств горных пород в зависимости от форм и видов влаги, вида напряженного состояния при широкой вариации скорости деформирования (рис. 6) показали, что с ростом скорости деформирования пределы прочности и упругости пород как в сухом, так и в увлажненном состоянии возрастают во всем исследованном диапазоне условий.

видно, что значения пределов прочности и упругости в диапазоне скоростей от 10-8с-1 до 101 с-1 с высокой достоверностью могут быть аппроксимированы прямыми, представляющими собой пучок лучей, имеющий общий полюс.

= const зависимости пределов прочности аналогичны зависимостям, приведенным на рис. 3 – линии 1, 2, 3 и рис. 4, 5.

Рис. 6. Типичная зависимость пределов прочности ?п (а) и упругости ?у (б) от влажности и скорости деформации (кварцевый песчаник).

= const могут быть представлены уравнением вида (Ставрогин А.Н., 1970 г.):

, или, в случае создания порового давления газом по паспорту прочности образца в воздушно-сухом состоянии в системе координат lg( - C, где С = ?3/?1 интенсивность напряженного состояния (рис. 3 линии 1, 3).

= const (рис. 2 линии 1, 2) могут быть представлены уравнениями вида:

( малопористые породы (пористость m < 8%) различного минералогического состава:

( высокопористые породы (пористость m > 8% - кварцевый песчаник, горючий сланец):

(прочность на одноосное сжатие (отрыв) при разной влажности, МПа; G=Wi/Wmax ( относительная влажность; z ( коэффициент, определяющий угол наклона линии предела прочности в принятой системе координат; b и d ( коэффициенты, определяемые из опыта (рис. 2 линии 3,4).

const в общем виде могут быть представлены уравнением вида:

- для пределов прочности:

- для пределов упругости:

; t – температура 0С.

Из анализа экспериментальных зависимостей прочности от вида напряженного состояния и порового давления (рис. 3, 4 каменный уголь – Кузбасс, кварцевый песчаник, песчаник - Чутырское месторождение, песчаник - Рагунская ГЭС, мрамор) следует, что в уравнении (1) коэффициент А является функцией порового давления (рис.7).

Рис.7. Зависимость коэффициента А при экспоненте от интенсивности порового давления а= Рп/?3: 1- каменный уголь, 2 - кварцевый песчаник, 3 - песчаник (Рагунская ГЭС), 4 - песчаник (Чутырское месторождение), 5 – мрамор.

const может быть представлено уравнением:

?п (C,G,P,T)= ? 0пexp[(A-ki ai )C-zG-kt], (6)

где ki – коэффициент, определяющий угол наклона линии изменения коэффициента А в принятой системе координат; ai – текущее значение интенсивности порового давления.

Установлено, что при каком(либо заданном значении давления всестороннего сжатия ?3 = const произведение AC и ВС = const, коэффициенты A и B не зависят от влажности и температуры, а зависят от порового давления (рис. 7).

const путем определения коэффициентов, входящих в уравнение (6) по упрощенной методике.

const.

Экспериментальные зависимости прочности и упругости от скорости деформирования, представленные на рис.6, в соответствии с кинетической теорией прочности описываются уравнением:

- коэффициенты, являющиеся показателями чувствительности отдельных структурных элементов, составляющих горные породы, к изменению внешних условий (скорости деформирования, вида напряженного состояния); k – постоянная Больцмана; Т (абсолютная температура, kT = 2463,7 Дж/моль при 200С.

Константа U0 совпадает с энергией термодеструкции в полимерах и энергией сублимации в металлах, а для горных пород с энергией активации процессов диффузии в кристаллической решетке горных пород. Это позволяет утверждать, что процессы сдвигового деформирования в нагруженных породах контролируются и определяются явлением типа диффузии.

от влажности и величины давления всестороннего сжатия во всем исследованном диапазоне скоростей деформирования.


загрузка...