книги / Физико-механические свойства горных пород

ским свойствам. Сборник № 47/4 «Совершенствование взрывных работ на карье­ рах». Госгортехнздат, 1961.

Канд. техн. наук Г. И. ЯГОДКИН

ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ

Определению механических свойств пород в массиве должно сопутствовать определение напряженного состояния соответствую­ щих его участков. Непосредственно измерить напряжение в масси­ ве невозможно, поэтому его определяют по замеренным деформа­ циям.

Основными экспериментальными методами исследования на­ пряжений являются: тензометрирование, поляризационно-оптиче­ ский метод, метод моделирования эквивалентными материалами, метод покрытий и рентгенотензометрироваиие. Каждый из этих ме­ тодов прямо или косвенно связан с деформациями исследуемой среды-

Наиболее распространенным методом измерения напряжений является метод тензометрирования, т. е. измерение деформаций с помощью различных приборов. Определение напряжений по изме­ ренным деформациям носит несколько условный характер и имеет ограничения, но применение этого метода допустимо, когда суще­ ствует однозначное соответствие между напряжениями и дефор­ мациями.

Для определения напряжений в массивах горных пород сущест­ вует много методов, которые можно разделить на три основные группы [1]: метод разгрузки горных пород, метод буровых сква­ жин и др.

Принцип разгрузки является наиболее достоверным методом, так как при этом проявляются не только упругие, но и пластиче­ ские деформации, и поэтому для определения напряжений по де­ формациям легче использовать принцип их взаимно однозначного соответствия, чем при нагружении.

Метод разгрузки применялся на калийных рудниках.

В качестве элемента, воспринимающего деформации, была при­ менена струна [2, 3]. ВНИМИ [4] предложил комбинацию двух ме­ тодов: струнного и метода, при котором по изменению частоты колебаний струн, установленных на целике, создается возмож­ ность проследить за проявлением напряжений в процессе работ. Разгрузка с применением скважин позволяет установить распре­ деление напряжений по глубине массива, а разгрузка с примене-

4* 51

нием струны дает возможность проследить за изменением абсо­ лютных значений напряжений на его поверхности.

Считается [1J, что метод буровых скважин является одним из наиболее перспективных. Основные его достоинства заключаются в том, что измерительный прибор, помещаемый в скважину не­ большого диаметра, вызывает сравнительно незначительное пере­ распределение напряжений около скважины. При производстве работ имеется возможность следить за изменением напряжений в массиве. Однако до настоящего времени не найдена возможность использовать метод буровых скважин для определения абсолют­ ных значений напряжений. По изменениям диаметра скважины по­ ка определяются только изменения напряжений массива.

Существует целая группа приборов, помещаемых в скважину для измерения изменения ее диаметра. Наибольший интерес пред­ ставляют приборы фирмы «Майгак» и прибор Леемана [5].

Третья группа приборов включает следующие методы:

1) звуковой и сейсмический, основанные на изменении ско­ рости звуковой волны в зависимости от изменения напряжений в

массиве; 2) электрический, основанный на изменении электрического

сопротивления массива в зависимости от величины напряжений; 3) метод электродвижущей силы, основанный на том, что мик­ роперемещения массива при увеличении напряжений в нем генери­

руют электродвижущую силу;

4)тепловой, базирующийся на изменении напряжений, связан­ ном с изменением энергии деформаций массива. Изменение темпе­ ратуры может служить показателем изменения напряжений;

5)оптический, когда в шпур вставляется небольшой оптический прибор, позволяющий регистрировать изменение размеров скважи­

ны. .

, Измерительные приборы этой группы для практических целей

.пока мало пригодны.

Анализ исследований, имеющихся в области измерения дефор­ мируемости и прочности горных пород в естественных условиях, по­ зволяет разбить их на следующие шесть групп.

1. Инженерные методы исследований, основанные на ударном воздействии инструмента на породный массив. Исследования этой группы дают возможность приближенно, но быстро производить массовое определение упругости и твердости поверхностного слоя массива при использовании различных эмпирических зависимостей по данным отскока бойка, диаметра отпечатка или величины внед­ рения инструмента в породу. Сюда относятся:

прибор Польди [6]—внедрение в породу стального шарика с по­ мощью удара ручным молотком определенного веса. О твердости породы судят по отношению площадей отпечатков шарика на эта­ лонной пластинке и на породе. Метод дает нестабильные результа­ ты;

52

прибор А. В. Ягупова [7], аналогичный прибору Польди, но с за­ меной шарика двусторонним зубилом, а эталонной пластинки—мед­ ным крешером;

прибор Лозенгаузена—ударник с острым наконечником, падаю: щий с определенной высоты на породу. Крепость оценивается раз­ мером отпечатка;

прибор В. И. Ткача и Н. М. Бондаренко—падение гири постоян­ ного веса с шариковым наконечником с постоянной высоты. Между породой и шариком закладывается писчая и копировальная бума­ га. Прочность породы принимается обратно пропорциональной пло­ щади отпечатка;

ударник ДорН И И [8]—цилиндрический наконечник полностью вдавливается в породу ударами гири постоянного веса, падающей с постоянной высоты. Твердость породы оценивается необходимым для внедрения наконечника количеством ударов гири;

прибор Шоппера—удар по породе наносится острым бойком под действием пружины. О твердости судят по ширине получаемого от­ печатка;

метод Скрамтаева [9] предусматривает выстрел из револьвера в поверхность забоя. Твердость оценивается по глубине проникно­ вения пули в породу или по объему воронки разрушения. Ф. В. По­ ляков предлагал использовать вместо револьвера ружье;

прибор Маттеса [10]—отскакивание маятника с шариком на кон­ це от забоя. Твердость оценивается по углу отскока маятника;

ударный молоток Е. Шмидта, применявшийся для испытания бе­ тонов в ФРГ. Молоток состоит в основном из ударника и грузабойка, приводимого в движение растянутой пружиной. После удара боек отскакивает на определенное расстояние, фиксируемое ука­ зателем на шкале. Величина отскока является функцией крепости и типа породы. Шахтные испытания молотка Шмидта по определе­ нию прочности песчаника и сланцев показали хорошую сходимость величии отскока с кубиковой прочностью [11].

2. Инженерные методы исследований, основанные на статиче,- ском внедрении инструмента в породный массив. В приборах этой группы используется хорошо разработанный метод проф. Л. А. Шрейнера по исследованию горных пород вдавливанием штампов в поверхность образца [12]. Сюда относятся приборы:

Л. Н. Карагодина [13]—тонкий конический стержень вручную вдавливается в мягкую породу (уголь) на постоянную глубину. Усилие вдавливания регистрируется гидравлической мессдозой;

плотномер ДорН И И [14] вручную вдавливается на постоянную глубину в мягкую породу цилиндрический наконечник. Усилие вдавливания замеряется пружинным динамометром;

прибор А. М. Пенькова [15] использует вдавливание в забой по­ средством винтового устройства стальной пирамиды с прямоуголь­ ным основанием. Усилие замеряется пружинным динамометром;

твердометр Хусштедта [16] использует вдавливание на постоян­ ную глубину цилиндрического пуансона в боковую стенку шпура

53

Так как домкраты обычно устанавливаются в периферийных ча­ стях целиков и массивов, отличающихся повышенной трещинова­ тостью, вызванной опорным давлением, взрывными работами или концентрацией напряжений, то результаты испытания обычно дают заниженные значения показателей, не характерные для более глу­ бинных частей массива, испытывающих объемное сжатие.

4. Исследования, использующие горные выработки для произ­ водства замеров. Сюда относятся кольца сжатия для определения деформационных свойств пород [21], а также специальные изолиро­ ванные опытные камеры с высоким гидростатическим давлением.

Кольца сжатия располагаются в выработке, которая в этом ме­ сте специально проходится круглым сечением, и создают равномер­ ное радиальное давление ,на участке выработки, ограниченном дву­ мя соседними параллельными плоскостями.

Уменьшенные модели колец сжатия представляют собой дила­ тометры—'цилиндрические резервуары, способные расширяться и служащие для измерения деформируемости буровых скважин.

Опытные камеры создаются в изолированной подземной выра­ ботке, способной выдержать большие гидростатические давления. Несмотря на значительные материальные затраты по подготовке камер, за границей они применяются довольно часто, так как дают непосредственные данные о состоянии проводимых выработок. В опытных камерах обычно измеряют и радиальные деформации рас­ тяжения в стенке, снижение давления жидкости за счет различных утечек в гидравлических приборах, изменение формы выработки идр.

5. Исследования, использующие технологические пробы и про­ цессы. Исследования этой группы вызваны необходимостью учета свойств пород при различных процессах, вызывающих их деформи­ рование и разрушение. В связи с отсутствием разработанных тео­ рий этих процессов (.резание, бурение, взрывание, истирание, износ и пр.) использование «классических» характеристик прочностных свойств пород становится невозможным для оценки самих процес­ сов. Поэтому исследователи старались эмпирическим путем устано­ вить некоторые зависимости наиболее характерных параметров процессов с определенными характеристиками .породы.

Непосредственно к рассматриваемому вопросу относятся мето­ ды, использующие принцип штангового крепления. Сюда относит­ ся и способ получения характеристики сопротивления поверхности массива отрыву, исследованный Е. И. Ильницкой [22], заключаю­ щийся в отрыве в сторону забоя части массива с помощью вытяги­ вания закрепленной в породе специальной штанги. Подобньш же образом в настоящее -время делаются попытки определять по дан­ ным опытов по вытягиванию закрепленных в породе штанг модуль упругости и коэффициенты крепости пород [23].

6. Геофизические методы. В горном деле используются акусти­ ческие методы для измерения плотности пород для оценки и изме­ рения упругости, прочности пород и других величин, связанных с

55

чения свойств пород в массиве прежде всего необходимо оценивать структурные характеристики массива, рассматриваемого в конкрет­ ной задаче.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ни к о л нн В. И. Измерение напряжений в массивах горных пород. В со.: «Труды ГГИ УФАН СССР», вып. 54. Свердловск, I960.

2. Б и л и к Ш. М., К о р а б л е в А. А., По п о в А. Д., С л о б о д о в М. А. Приборы и аппаратура для исследования проявлений горного давления. Углетехиздат, 1958.

напряжений, действующих в междукамерных целиках каменной соли Артемов­ ских рудников. В сб.: «Труды ВНИМИ» ХХП. Углетехиздат, 1956.

полнительными органами машин, работающими по принципу крупного скола. М. Изд. МГИ, 1954.

18. Ш р е й н е р Л. А. Твердость и ее значение в процессах бурения. Диссер­ тация, М., Институт нефти АН СССР, 1943.

19. Г е р ч и к о в Е. А. Исследование упругих свойств горных пород в усло­ виях ее естественного залегания. М., ОНТИ НКТП, 1938.

20. Ф н с е н к о Г. Л. Устойчивость бортов угольных карьеров. Углетехиздат,

57'

II. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Кандидаты техн. наук Е. С. ВАТОЛИН и Р. И. ТЕДЕР

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД СОКОЛОВСКО-САРБАЙСКОГО ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА

В 1963—'1964 гг. в лаборатории исследования физико-механиче­ ских свойств горных пород ИГД им. А. А. Скочинокого были прове­ дены исследования физико-механических свойств горных пород Со- коловско-Сарбайского горнообогатителыюго комбината. Всего бы­ ло исследовано 35 разновидностей пород Соколовского и Сарбайского карьеров. Среди них магнетитовые, гематитовые и мартитовые руды, скарны и скарнироваиные -порфириты, альбитофиры и их туфы, сиенит-порфиры, известняки, песчаник и туффиты.

По каждой из пород определялись прочностные, упругие и не­ которые физические показатели.

Временные сопротивления сжатию и растяжению определялись методом раскалывания пластин и раздавливания образцов полуправильной формы [1].

•Паспорта прочности горных пород или огибающие предельных кругов напряжений Мора определялись способом, разработанным проф., докт. техн. наук М. М. Протодьяконовым [2]. По этому спо­ собу паспорт прочности строится по двум прочностным показате­ лям—прочности на сжатие и прочности на растяжение—с примене­ нием обобщенного уравнения огибающей предельных кругов напря­ жения Мора [3].

Временное сопротивление сдвигу, угол внутреннего трения и по­ казатель сцепления определялись по паспорту прочности.

Модуль упругости и коэффициент Пуассона определялись с по­ мощью прибора УЛМИ [4] на образцах цилиндрической формы диа­ метром 43 мм и высотой 86 мм. Деформации при сжатии образца измерялись индикаторами часового типа. Продольные деформации измерялись на базе в средней части образца.

Условный показатель пластичности и динамическая твердость по Шору определялись на приборе Шора [5]. Оценка пластичности по­ роды производилась при многократных соударениях—отскоках в одну я ту же точку образца.

59