книги из ГПНТБ / Карташов Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород

Ю .М .К А Р Т А Ш О В

УСКОРЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОЕИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследование физико-механических свойств горных пород имеет большое значение при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных сооружений. Выбор места заложения и способа проходки шахтных стволов, выбор системы разработки и отдельных ее элементов, размеры целиков и типы крепи для подго­ товительных и капитальных выработок во многом зависят от свойств горных пород и угля. Знание физи­ ко-механических характеристик пород является также необходимым при моделировании и выполнении анали­ тических исследований.

При оценке работ элементов горных выработок ча­ сто необходимо учитывать фактор времени. Степень де­ формируемости горных пород и крепи выработок, рост давления на крепь капитальных и подготовительных выработок зависят не только от горнотехнических ус­ ловий, но и от продолжительности процессов ползучести и релаксации горных пород и материала крепи. Эффек­ тивным методом решения важной проблемы, связан­ ной с учетом влияния фактора времени, на напряжен­ но-деформированное состояние породного массива, вмещающего горные выработки, является комплекс­ ный метод, в который входят производственные, лабо­ раторные и аналитические исследования [1].

Определение реологических свойств пород в ла­ бораторных условиях связано с большими затратами труда и времени. При испытаниях применяется слож­ ная аппаратура для поддержания постоянного давле­ ния (или постоянной деформации), и регистрации де­ формаций образцов (или снижения напряжения) в течение длительного времени. Специальные длитель­

ные испытания (например, испытания на боковой распор, на длительную объемную прочность и т. д.) нуж­ даются также в автоматических устройствах, поддер­ живающих необходимый режим испытаний. Поэтому детально изучать реологические свойства пород име­ ют возможность только крупные лаборатории, осна­

большая длительность самих испытаний (от несколь­ ких недель до нескольких лет) препятствуют быстро­ му и эффективному решению многих горнотехнических задач, связанных с проявлениями ползучести, длитель­ ной прочности и релаксации горных пород, удорожают проведение испытаний и ограничивают возможность испытания достаточного количества пород.

В книге описаны ускоренные лабораторные методы определения некоторых важнейших реологических ха­ рактеристик горных пород: предела длительной проч­ ности, предела текучести, коэффициентов вязкости, по­ казателей длительной объемной прочности (сцепле­ ния и угла внутреннего трения). Применение этих ме­ тодов позволит значительно сократить срок испытаний и дать большую экономию средств.

В книге описаны новые приборы и аппаратура для исследования реологических свойств горных пород при длительном действии нагрузок и дан анализ ре­ зультатов испытаний.

Особое внимание уделено изучению реологических свойств слабых горных пород, так как реологические процессы наиболее интенсивно протекают именно в таких породах.

Объем книги не позволил детально изложить те или иные вопросы, связанные с методикой длительных испытаний и анализом полученных результатов. В этих случаях делались необходимые ссылки на соответст­ вующие литературные источники.

Рассмотренные в книге методы испытаний, аппара­ тура, приборы и приведенный экспериментальный ма­ териал по определению реологических свойств пород, на наш взгляд, окажут помощь лабораториям, зани­ мающимся изучением физико-механических свойств по­ род, а также организациям, использующим показатели

свойств пород для проектирования и строительства горных выработок.

Работа' выполнена автором в лаборатории меха­ нических испытаний ВНИМИ под научным руковод­ ством канд. техн. наук Б. В. Матвеева. Петрографиче- ' екое описание пород выполнено канд. геол.-минерал.

J наук В. Я. Степановым и В. Ф. Авксентьевой. В прове­ дении испытаний принимали участие М. А. Малык, А. А. Грохольский и Л. Н. Быстрова.

Автор не считает исследования, результаты кото­ рых легли в основу книги, окончательными. Дальней­ шие исследования будут заключаться в продолжении испытаний слабых горных пород по разработанным ускоренным методам с целью уточнения расчетных фор­ мул и построения полных реологических моделей пород по результатам ускоренных испытаний, в расширении диапазона исследуемых пород (аргиллиты, алевроли­ ты, песчаники и др.), а также в исследовании прочно­ сти и ползучести пород в условиях однородного напря­ женного состояния.

Глава I

АНАЛИЗ ДЛИТЕЛЬНЫХ СТАТИЧЕСКИХ И УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

Многие горные породы обладают реологическими свойствами, т. е. способностью деформироваться под действием постоянной нагрузки, снижать напряжение при постоянной деформации п изменять прочность при длительном действии постоянной нагрузки или при уменьшении скорости нагружения.

Исследования реологических свойств горных по­ род заключаются в основном в испытании образцов горных пород на ползучесть (изменение деформаций образца при постоянной нагрузке), на релаксацию (из­ менение напряжений в материале образца при нензтиештойг во времени деформации) и на длительную прочность (изменение прочности образца от длитель­ ности действия нагрузки). По данным лабораторных испытаний определяются необходимые параметры, учитывающие изменение прочностных и деформацион­ ных характеристик горных пород при длительном действии нагрузок.

Изучение реологических свойств горных пород, про­ водимое отечественными и зарубежными исследова­ телями, позволило выявить общие закономерности деформирования и разрушения пород при длительном действии постоянной нагрузки. При развитии дефор­ маций ползучести можно различать четыре периода.

1. Скорость деформации возрастает. Этот перио соответствует начальному моменту нагружения образ­ ца. Часто его опускают при исследованиях, однако он

необходим, так как развивающийся от исходного по­ коя процесс, начинающийся с замедления, физически невозможен [2].

2.Скорость деформирования уменьшается (зату­ хающая или неустановившаяся ползучесть).

3.Скорость деформирования постоянна (устано­ вившаяся ползучесть).

4.Заключительный период, соответствующий де­

формированию образца с непрерывно возрастающей

вания при длительном статическом нагружении можно разделить на два типа. К первому типу относятся пе­ счаники, песчанистые сланцы идругие породы, характе­ ризующиеся тем, что при длительном нагружении де­ формация их стремится к некоторому пределу. Ко вто­ рому типу относятся малопрочные глинистые породы, деформация которых при постоянной нагрузке беспре­ дельно возрастает (установившаяся ползучесть)-

Процесс ползучести у многих горных пород удов­ летворительно описывается уравнениями теории на­

Многочисленными исследованиями [8, 9, 10, 11, 12, 13] доказано, что горные породы снижают свою проч­ ность при длительном действии нагрузок. В исследо­ ваниях Г. А. Крупенникова [14] отмечается, что для

горных пород существует нижняя граница разрушаю­ щих напряжений (предел длительной прочности). На­ пряжения, не превысившие эту границу, практически никогда не разрушат породу. Для мерзлых горных по­ род предел длительной прочности составляет 8—35%, для 'слабых и 'пластичных пород 30—70%, для пород средней прочности и прочных 70—95% предела проч­ ности при 'кратковременном испытании.

§ I. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ УСКОРЕННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

Одним из наиболее распространенных направлений в методике ускоренных испытаний можно считать экст­ раполяцию экспериментальных данных, полученных при сравнительно небольшой продолжительности ис­ пытаний [15]. При этом задаются уравнениями дефор­ мирования или снижения прочности во времени, как правило, степенными или экспоненциальными зави­ симостями. При определении экстраполированных значений пределов длительной прочности и деформа­ ций ползучести во многих случаях неизбежны погреш­ ности, обусловленные либо приближенной (грубой) формой выбранных зависимостей, либо структурными изменениями в испытываемом материале. В работе [15] отмечается, например, что перегиб логарифмической кривой длительной прочности и снижение пластично­ сти при больших интервалах времени зависят от неста­ бильности структуры материала во времени. Следует иметь в виду, что к этой группе ускоренных методов можно отнести и обычные испытания, продолжитель­ ностью от одного до четырех месяцев. В практике ла­ бораторных испытаний известны лишь отдельные уникальные опыты (металлы, соль, бетон и др.), про­ должительность которых превышала 5—10 лет.

Большая группа ускоренных методов основана на результатах относительно кратковременных испыта­ ний горных пород при различной скорости нагружения или деформирования. Основой этих методов является предположение, что предел длительной прочности со­ ответствует прочности материала при бесконечно мед­ ленном нагружении [16, 17]. Различные варианты рас­

сматриваемой группы методов отличаются способом обработки экспериментальных данных.

По методу, предложенному Марселем Про [18], результаты испытаний образцов, испытанных при раз­ личной скорости нагружения, наносят на график с координатами «напряжение при разрушении— корень квадратный из скорости нагрузки». Точка пересечения экспериментальной кривой с осью ординат принима­ ется за предел длительной прочности. Метод предло­ жен для анализа усталостных испытаний, но исполь­ зуется применительно и к статическому нагружению.

жаются с различной скоростью, с фиксированием про­ должительности испытания и предела прочности при каждой скорости нагружения. По результатам испыта­ ний определяют параметры экспоненциального урав­ нения, выражающего зависимость прочности породы от времени действия нагрузки. Однако предложенный метод не подтвержден экспериментальными исследо­ ваниями на горных породах.

В работе [20] описан импульсный метод определе­ ния предела длительной прочности горных пород, пред­ ложенный В. Г. Артемовым, П. А. Лыхиным и Л. К. Патокиным. Прочность пород оценивается по величине действующего импульса нагрузки, превышающей пре­ дел длительной прочности. Предельный импульс внутреннего сопротивления разрушению для каждого типа породы является постоянной величиной и пред­ ставляется графически в общем случае интегральной площадью, описываемой кривой а (t) от времени t 0, соответствующего пределу длительной прочности, до времени t, соответствующего разрушению. Рассмотре­ ны два режима нагружения (при нагружении с посто­ янной скоростью и при длительном действии постояі-щ ной нагрузки) и даны расчетные формулы. Для каждого режима необходимо провести испытания не­ скольких образцов (например, с различной скоростью нагружения). Принципиальное отличие этого метода от метода, предложенного Н. А. Синькевичем, заключает­ ся в том, что он дает возможность определять предел прочности, соответствующий любому отрезку времени,