Экспериментальное исследование ползучести и разрушения горных пород Каратауского фосфоритного бассейна тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РГ6 од

НАЦИОН^ькШ АКАДЕМИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Институт механики и машиноведения

На правах рукописи

КОЖАМКУЛОВ Талгат Абжанович

•ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД КАРАТАУСКОГО ФОСФОРИТНОГО БАССЕЙНА

01.02. 07 - механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алматы, 1993

Работа выполнена в Казахском Национальном государственном университете имени Аль-фараби.

Научные руководители: - член-корреспондент НАН РК,

доктор технических наук, профессор Ш. И АИ1АЛИЕВ

- кандидат Физико-математических наук, доцент А. И. ИСКАКБАЕВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

КХ Н. СЕРЕПШ

- кандидат технических наук Л. Н. ЖЕРЕВКО

Ведущая организация - Институт физики и механики

горных пород Академии наук Республики Кыргызстан (г1. Бишкек).

Защита состоится " с2£ " _ 1993 г.

в /О часов на заседании специализированного Совета Д. 008.11. 01 по зашугсе диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте механики и машиноведения НАН РК по адресу: 460021, г. Алма-ш, 21, ул. Абая, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке НАН РК (г. Алматы, 21, ул. Шевченко, 28).

Автореферат разослан » " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор Физико-математических л,^0

наук, профессор , (Д-в-^ А А КАЛЫЕАЕВ

<=1 > ^

Работа посвящена изучению влияния различных факторов на процессы деформирования и разрушения горных пород с учетом их повреждаемости на основе лабораторных экспериментальных иссле- • дований на Сазе конкретного месторождения полезных ископаемых.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тема. Во второй половине нашего века одним лз активно разрабатываемых научных направлений среди широкого спектра проблем фундаментального и прикладного характера изучаемых механиками, является механика разрушения материалов и конструкций. Важность этой области науки очевидна с точки зрения инженерных приложения. В это же время степень отработанности для разных материалов различна: конструкционные и композит-ционные материалы изучены более тщательно, нежели горные породы. Интенсивное освоение земных недр выдвигает в число приоритетных направлений ряд проблемных задач механики горных пород, которые привлекают внимание многих исследователей, имеется об-отрная литература, посвященная этой проблеме.

Исследование реологических свойств горных порсд и учет этих свойств в методах расчета напряженно-деформированного состояния породного образца вокруг подземных сооружений являются важной и актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение. Эта проблема включает в себя прежде всего, экспериментальное изучение деформирования и разрушения горных пород во временя как в лабораторных, так и в натурных условиях, затем теоретическое обобщенное описание полученных закономерностей, наконец, учет последних в проектировании, строительстве и эксплуатации горны* и тоннельных выработок.

Решение указанных проблем должно базироваться иа анаши и использовании 'закономерностей движения массива горных пород.

во многом обусловленном проявлением их ползучести и длительной прочности. Для описания длительной прочности применяются различные методы.

Несмотря на возрастающее количество информации о процессах: ползучести и длительной прочности в последнее время наши знания о процессе разрушения в горных породах растут не так быстро, как для композитных'и канструкционных материалов. Это обусловлено большим числом факторов, влияющих на процесс деформирования и разрушения горных пород.

Сложность процесса деформирования и разрушения горного м массива, вызываемого ведением горных работ, и большое число влияющих на него факторов обусловили необходимость в проведении широких теоретических и экспериментальных исследований по его изучению. Теоретические исследования на базе лредставлония горных пород и их массивов в виде упругой, вязкоупругой, упру-гопластической и упруговязкопластической сред выявили наиболее обпрш закономерности, а экспериментальные исследования позволили понять влияние тех факторов, учет которых теоретическими методами представляет значительные трудности. Сказанное вше обуславливает актуальность теш диссертации.

Цель работы - комплексное исследование влияния основных факторов на процессы деформирования и разрушения осадочных горных пород с учетом их повреждаемости с проведением экспериментов на базе конкретного месторождения полезных ископаемых.

Задачами исследований являются:

- изучение влияния скорости нагрузке ни я на механические характеристики горных пород;

- оценка влияния структурных особенностей, вида нагружения, градиента и концентрации напряжений, силового фактора на про-

цессы деформирования и разрушения горных пород;

- определение мгновенной и длительной пределов прочности пород из кратковременных опытов;

- установление нового кодифицированного уравнения длительной прочности горных пород с учетом накопления повреждаемости на.основе экспериментальных исследований на ползучесть;

- экспериментальное изучение ползучести горных пород конкретного месторождения полезных ископаемых на примере Каратау-ского фосфоритного бассейна.

Методика исследований. В работе применены как теоретические, так и экспериментальные методы исследования механики горных пород. 11а основе данных проведенных экспериментальных исследований построены модели длительной прочности горных пород. Полученные уравнения решается известными численными методами с использованием ЭВМ.

«

Научная новизна состоит в получении теоретических и экспериментальных фактов, отралащих характер длительной прочности и разрушения горних пород» Разработана методика определения

мгновенной и длительной пределов прочности на основе кратковре-

»

менных опытов. По данной методике определены пределы длительной прочности исследуемых горных пород при чистом изгибе, сжатии и при испытаниях по бразильскому методу. Экспериментально исследованы и выявлены основные закономерности деформирования во времени Каратауских осадочных горных пород при чистом изгибе. Получено новое модифицированное уравнение длительной прочности горных пород с учетом повреждаемости на основе экспериментальных исследований на ползучесть« Исследованы влияния основных факторов на процесс деформирования и разрушения горных пород.

Практическая ценность. Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ Казахского национального государственного университета (КазНГУ) по теме 1.10.2.4 "Ползучесть и длительная прочность упруго-наследственных материалов" (1УШ-19У0), координируемой Научным Советом 1Ш! РК по проблеме "Механика твердого тела".

Предложенные в рабЬте методы определения пределов длительной прочности горных пород являются достаточно наглядными и точными. Они могут быть использованы и для других твердых упруго-наследственных материалов.

Экспериментально определенные значения механических характеристик Каратаусцого фосфоритного бассейна открывают возможность выполнить конкретные расчеты напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и выработать рекомендации по повышению их устойчивости и длительной прочности.

Часть результатов диссертационной работы внедрена в учебный процесс кафедры механики сплошной среды университета в рамках спецкурса "Основы механики рассеянного разрушения", при вы--полнении курсовых и дипломных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научной конференции "Актуальные проблемы механики деформируемого твердого тела" (Алматы, 1У92), Сессии общего собрания отделения физико-математических наук Национальной Академии наук Республики Казахстан (Алматы, 1У92), научно-технической конференции "Молодежная инициатива и цветная металлургия" (Алматы, 1991), научных семинарах кафедры механики сплошной среды КазНГУ по механике деформируемого твердого тела под руководством проф. Н.Н.Тер-Оммануильяна, лаборатории теории сейсмостойкости подземных сооружений Института механики и машиноведения НАН РК под руководством чл.-корр. НАН РК Айталиева

Ш..М. и секции механики Института механики и машиноведения НАН РК по механике горных пород под руководством акад.ЛАН РК Ер-жанова Я.С. (Алматы, 1У90-1У93).

Публикации. По тема диссертации опубликовано 5 научных статей и сообщений.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 79 наименования и содержит П4 страниц машинописного текста, 1о таблиц и 42 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТУ

Во введении приведен краткий обзор отечественных и зарубежных исследований ползучести, длительной прочности и разрушения твердых тел, в основном горных пород и дана постановка задачи. "Обоснована актуальность темы, «формулированы цель и конкретные задачи исследования, изложены краткие содержания глав диссертационной работы..

Реологические свойства пород могут бнть разделены по характеру их проявления на двз группы. К первой группа следует отнести затух-ар щуп ползучесть н реалаксацит напряжений, когда породы на теряют своп сплопность при любом времена испытаний. Ко второй группе относится реология пород, сопровождаемая явным разрушением их в процессе испытания. Внешне она проявляется как незатухающая ползучесть, физически объясняя длительную прочность горных пород. Но из-за отсутствия необходимого оборудования, технической сложности и дороговизны экспериментов к настоящему времени у нас длительная прочность горных пород дпжэ при постоянных напряжениях исследована недостаточно. Поэтому любые экспериментально установленные факты об особенностях ха-

- а -

рактера деформирования и разрушения реальных тел представляют большой интерес.

Первые испытания ползучести породных образцов при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении в лабораторных условиях проводились Д.Григгсом, К.Штокке, Д.Филлипсом, а у нас, в бывшем Союзе - Г,Н.Кузнецовым, Г.А.Крупенниковым, А.Д.Уанасевичыы. Однако эти работы имели ограниченное значение, фиксируя лишь общий временный характер деформирования и обсуждая возможные области применения. Систематические же исследования процесса деформирования пород осуществлялись Ж.С.Ержановым. Разработанная им теория ползучести горных пород нашла чрезвычайно широкие и разнообразные приложения. Так для пород и углей Донбасса опыты проводились Ж.С.Ержановым, В.Т.Глушко, Л.Я. Пар-чевским, Б.С.Усаченко, Н.Ф.Ренжигловш; для других бассейнов ,Ж.С. Ержановым и его учениками и последователями, а именно: для Кузбасса - А.А.Дуравелем, К.П.Дудушкиной, Г.Ф.Бобровым, Карагандинского бассейна - Г.Н.Гуменжком5 Ю.А.Векслером, для месторождений Джезказгана - 1>.Н.Серегиным, В.Ф.Смирновым, Киргизии -К.П.Шкуриной, для месторождений бывшей ГДР - В.Менделем, В.Шрей-нером. Исследования по ползучести горных пород с точки зрения решения задач о горном давлении проводились Ж.С.Ержановым, Диберманом, И.А.Черняком, Ш.М.Айталиевым и многими другими.

Общие вопросы теории ползучести твердых тел разрабатывались Ю.Н.Работновым, А.Ю.Ишлинским, А.А.Ильюшиным, Л.М.Кочановьш, Нл.Арутюняноы, Я.И.Розовским, Й.И.Гольденблатом, А.Р.Ржаницы-кым, В.В.Москвитиным, Б.Е.Победрой, Ж.С.Ержановым.

Важнейшей характеристикой материала, в том-числе горных пород, является долговечность - время от момента приложения нагрузки до момента разрушения. Однако, испытаний по долговечности горных пород сравнительно мало, да еще теоретическая база

развита слабо. Более интенсивно накапливаются экспериментальные данные по изучения конструкционных и композитных материалов. Исследованию собственно вопросов длительной прочности и разрушения горных пород посвящены работы А.Н.Ставрогина, И.Я. Черняка, Н.А.Синькевича, В.Т.Плушко, ЙД.Габдрахкмова.

Несмотря на возрастающее количество информации о процессах ползучести и длительной прочности в последнее время наши знания о процессе разрушения в горных породах растут не так быстро, как для композитных и конструкционных материалов. 2то обусловлено большим числом факторов, прямым или косвенным образом влиящих на процессы деформирования и разрушения горных пород.

В массиве горше породы находятся в сложном напряженном состоянии. Для математического описания процесса их разрушения используются те или иные физические уравнения. Однако при таком подходе практически невозможно учесть влияние всех факторов. А экспериментальные исследования позволяют понять влияния тех факторов, учет которых теоретическими методами представляет значительные трудности. Наиболее важными из этих факторов являются скорость пралояения нагрузки, взд нагружения, структура, градиенты напряжений, концентрация напряжения, наличие наодно-родностей. Исследования влияния различных факторов на процессы сформирования и разрушения материалов посвяцены материалы и работы А.И.Берона, М.Ф.Кунтыт, М.Е.Мохначова, К.С.Ержанова, З.А.Мансурова, В.Николау, Т.Табата, В.Дрейера, Х.Борхерта, С.С. Зялова, А.Н.Ставрогина, Т.Хорибо, РЖобояси, Л.А.Шрейнера, М.П. 5оларов51ча, А.Н.Зеяеиииа, Й.А.Цэтовича, Л.Оберта, Е.И.Ияькии-юй, Р.Хоупора и многие другие, Сбвдм для всех них является выгод о собственной зависимости прочностных и деформационных характеристик материалов от мюгочислеиинх аудиторов.

Резюмируя вышеприведенный анализ научно-технической литературы по тематике изучаемого вопроса, следует заметить следующее. Во-первых, в механике горных пород слабо развито направление исследований длительной прочности с учетом повреждаемости , являющееся физически наиболее обоснованным и практически перспективным. Во-вторых, сравнительно мало изучено влияние многочисленных объективных факторов на процессы деформирования и разрушения горных пород. В-третьих, в имеющихся публикациях не рассматриваются влияния указанных факторов с точки зрения повреждаемости горных пород. К тому же, существующие исследования проведены на разнотипных породах разных месторождений, что затрудняет их сопоставление и применение для условий конкретного месторождения. ■ Исходя из всего этого и поставлены задачи исследований диссертации.

Первая глава диссертации посвящена изучению влияния скорости приложения нагрузки на механические характеристики горных пород.

В ? 1.1 изложена методика отбора проб и изготовление образцов правильной форш; из горных пород, в § 1.2 проведено геологическое описание Каратауского фосфоритного бассейна и изложена методика проведения лабораторных экспериментов с кратким описанием экспериментальной установки. В § 1.3 приведены результаты опытов на определение механических характеристик горных пород и изучено влияние скорости нагружения на механические характеристики.

Общеизвестно, что некоторые механические параметры горных пород нэ являются константами, а только характеризуются такими условиями нагружения, как скорость нагружения и его продолжительность, накопленная системой энергия, которые оказывают большое влияние на разрушающее напряжение и процесс деформирования

пород.

Испытания для определения влияния скорости нагружения на прочность породных образцов при чистом изгиба проводились в четырех режимах нагружения. Методика проведения опытов заключалась в том, что одинаковые образцы нагружались непрерывно до разрушения постоянными, ко разными по величине скоростям. При этом фиксировались значения пределов прочности образцов соответственно для каждой скорости нагруяения. Посла усреднения подученных данных отроились кривые зависимости прочности от скорости нагружения- На рис.1.1 показана кривая зависимости прочности образцов песчаника от скорости нагружения при чистом изгибе. Здесь отчетливо видно, что прочность испытанных образцов находится в прямой зависимости от величины скорости нагружения и в целом характерно падение прочности при уменьшении скорости нагружения. Но на этой кривой можно ввделить особый участок, где прочность породных образцов от скорости нагружения практически не зависит. Такое явление отмечено и другими отечественными и зарубежными исследователями.

Опыты для изучения влияния скорости нагружения на прочность при одноосном сжатии проведены над образцами песчаника цилиндрической формы с отнопением высоты к диаметру, равным единице. Опыты проведены по классической схеме и по прежней методике. На рисЛ.2 приведена кривая зависимости прочности образцов песчаника от скорости нагружения при одноосном сжатии. Отсюда отчетливо видно падение прочности при уменьшении скорости нагружения.

Дополнительная информация о влиянии скорости нагружения на прочность горных пород получена из экспериментов нагружения цилиндрических образцов по образующей (бразильский метод). На рис.1.3 приведена кривая зависимости прочности образцов песчн-

- к -

ника от скорости нагружения при испытании по бразильскому методу. В целой, и здесь сохранялась тенденция падения прочности с уменьшением скорости нагружения, но как видно, кривая имеет некоторые участки, где прочность остается неизменной.

Механические свойства одномерного деформирования рассматриваемого упруговязкогластического тела А.Ю.Ишлинский продемонстрировал на некоторой модели. Модель состоит из двух пружин жесткости 0 и С , соединенных последовательно, причем в месте их соединения укреплен поршень, движущийся с кулоновым трением внутри полого цилиндра (рисЛ.4), наполненного

вязкой жидкостью. Едкость имеет возможность проходить сквозь отверстие в поршне при перемещении последнего. Конец пружины жесткости С прикреплен к неподвижному дну цилиндра, а к свободному концу пружины жесткости £ приложена сила <э . При больших скоростях деформирования или больших внезапно приложенных нагрузках произойдет хрупкое разрушение (разрыв внешней пружины). При достаточно большой, но не разрывающей внешней пружины нагрузке Судет происходить длительное разрушение, характеризуемое значительной предварительной деформацией материала и наличием некоторого интервала между мгновениями приложения нагрузки и разрыва внутренней пружины.

Основываясь на этом, считаем, что при скоростях нагруже-ния соответствущих к максимальным <5 происходит хрупкое (мгновенное) разрушение, а при скоростях соответствующих к минимальным б" происходит длительное разрушение горных пород.

Эффективность процессов разрушения горных пород оценивают по величине удельной энергии разрушения. Изменение энергетических характеристик тесно связано с изменением скорости нагруже-нмя. Изменение удельной энергии разрушения в зависимости от скорости нагружения изучали на основе экспериментальных данных.

При проведении опытов на определение прочности при чистом изгибе параллельно'фиксировались значения конечной деформации. Затем по формуле

где & - напряжение, 6 - деформация, находилась энергия разрушения при разных скоростях нагрутеиия. На рис.1.5 показана кривая изменения энергии разруиения от скорости нагружения для образцов песчаника при чисто» изгибе. Как видно, значения удельной энергии разрушения при разнмх скоростях нагружения не одинаковы. На основе этого коано выделить границы хрупкого и длительного разрушения горных пород.

Во второй главе исследуются закономерности ползучести и разрушение горных пород на основе лабораторных экспериментов на чистый изгиб.

В § 2.1 приведены результаты лабораторных экспериментов 'при постоянно действующих нагрузках и значения параметров ползучести для всех испытанных образцов-балок. Показана линейность процесса ползучести испытываемых породных образцов при циклическом возрастании нагрузки; на основе есздайетза полученных кривых прямой и обратной ползучести на осях "нагрузка-прогиб" для моментов времени é <* 0; ü; 24; 48 часов построены изохронные кривые как прямой, гак и обратной ползучести.

Выявлены некоторые особенности деформирования во времени породных образцов. Процесс носил скачкообразный характер: выявлены случаи, когда процесс на несколько суток останавливался и через некоторое врем» снова начиналось декорирование. Обнаружены явления снижения уровня деформации к обратное восстановление; это явление видида связано со структурными особенностями породит« образцов и изменением атмосферного давления.

Линейное деформированне реальных материалов, обладагоих

свойствами наследственности, описывается интегральным уравнением В.Вольтерра второго рода:

i .

в

11ри описании процесса ползучести применятся различные ядра ползучести. Исследуемые породные образцы при испытаниях обнаруживали разные'степени деформируемости: в некоторых случаях процесс носил незатухающий характер, а в остальных случаях устеновившийся.

Установлено, что установившаяся ползучесть каратауских пород удовлетворительно описывается уравнением наследственности (ИЛ) с дробно-экспоненциальным ядром:

В-^ТГ--т- •

А в случаях когда процесс носит незатухающий характер, целесообразно применение степенного ядра:

На рис.2.1 показана одна их кривых ползучести каратауских породных образцов при чистом изгибе (опытные данные - линия I, аппроксимация при дробно-экспоненциальном ядре - линия 3, при степенном ядре - линия '¿). Отклонение от экспериментальных точек кривой ползучести, построенной по дробно-экспоненциальному ядру, не превышает 3-5%. Определены величины реологических параметров для всех испытанных породных образцов.

В § '¿.2 изучено влияние структурных особенностей на ползучесть и разрушение горных пород. Исследовано упрочнение породных образцов при ползучести.

Методика исследования влияния структуры породных образцов на процесс.деформирования заключалась в том, что несколько оди-

наковых по размерам образцов при одинаковых условиях и уровне нагрузок испытывались на ползучесть. Для удобства сравнения воспользовались параметром ^ = /<?„ . Анализ и сравнение величин ^ показал значительный разброс экспериментальных данных, который объясняется структурной неоднородностью породных образцов.

Параллельно исследовано влияние структуры на величины реологических параметров процесса ползучести испытанных образцов. Сравнение произведено по величине отношения параметров Л и ^ , т.е. через Л /^ .

Изучено упрочнение пород при ползучести. Пребывание предварительно под нагрузкой в течение нескольких суток, привело к повышению прочности породите образцов, о чем свидетельствуют данные табл.2.1.

Таблица 2.1.

Прямое разрушение

'Разрушение после ползучести

Шифр Гб? 71 ё I Шифр ! в" • . Л 5ГТ образца ! кг/от 1 кг/сгг- с ! образца ! кг/с»г! кг/аг- с

ПЧ-Г-б 246 0,063 ПЧ-Г-1 233 0,027

ПЧ-1-15 183 0,034 ПЧ-1-4 22« 0,031

ПЧ-1-в 190 0,033 ПЧ-1-3? 20« 0,032

ПЧ-1-16 224 0,039 ПЧ-1-21 215 0,036

ПЧ-1-11 202,5 0,047 ПЧ-1-24 220 0,033

Сред: 20У Сред: 221

С целью изучения процесса упрочнения были проведены параллельные испытания двух серий образцов на ползучесть. Образцы первой серии испытывались обмчным путем, а второй серии предварительно были подвергнуты деформированию под постоянной нагрузкой. При этом величина нагрузки выбрана таким образом, чтобч процесс протекал в стадии затухающей ползучести. Оказалось, что

в процессе ползучести горше породи упрочняются. На рис.2.2 показана одна из кривых ползучести образцов первой и второй серии.

В § '¿.3 исследована длительная прочность горных пород на основе экспериментов на ползучесть. Предложена модель длительной прочности с учетом накопления повреждаемости, которая позволяет рассматривать в тесной взаимосвязи длительную прочность и ползучесть горных пород.

Ползучесть исследуемых каратауских горных пород в основном носила затухающий характер. И в "тех случаях, когда в процессе ползучести происходило разрушение испытуемых образцов, практически на наблюдалось резкое повшение деформации. Хотя оно и имело место, но происходило за очень короткое, время. В случаях, когда явзого повьшешя деформации не происходит, процесс ползучести вплоть до разрешения достаточно хорошо описывается уравнением В.Вольгерра с дробно-экспоненциальным ядром. Известно, что в процессе ползучести происходит накопление повреждения. Так как процесс ползучести вплоть до излома хорошо описывается уравнением наследственности, считаем, что реологические параметры включают в себя информацию о накоплении повреждений. На рис,2.3 показан один из графиков ползучести до разрушения.

Зависимость ыевду приложенным напряжением и долговечность^* материала дается уравнением:

б ('¿л)

а $

где И - оператор наследственного типа. Оператор М выбран

в веде спецфункции К.Н.Работнова. Тогда получим уравнение для кривой длительной прочности^ »

в!

С

^ * -tf

где А , oL , j? - параметры ползучести, кайденнпе из кривой юлзучести, показанной на рис.2.3. Выражение (Й-. 5) имеет два 1редельных значения:

tf/wf/f)**^^, (2.6)

;оответствущие малым уровням нагрузок и мгновенному пределу трочности. Формула (2.5) имеет нижнюю горизонтальную асимптоту: GVc~j = 6

p.e. при напряжениях ниже этого предела материал может выдернуть нагрузку "бесконечно" долго. На рис.4 показана кривая длительной прочности, вычисленная по формуле (2.5), на которой зтчетливо видно, что предел длительной прочности отличен от нуля.

В третьей главе исследовано влияние режима нагружения, "Градиента и концентрации напряжения на процессы деформирования 1 разрушения породных образцов. Предложена методика определения . феделъной величины горного давления на примере расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальной выработки круг-юго сечения.

В 5 3.1 приведены результаты исследования влияния режима шгружения на прочностные характеристики горных пород. Определены значения прочностей в условиях чистого изгиба, сжатия и 5разильского метода. При сопоставлении использованы результаты эанее проведенных экспериментов на поперечный изгиб, проведение над каратаускики породами. В таблице 3.1 приведены значения фочностей каратауского песчаника в различных режимах нагружения.

Таблица 3.1.

Вид нагружения ! <5*, кг/см*" ! <Ь , кг/см^- с

Бразильский метод (растпжегае)

£33,9 73,2

56,3 43,7

53,5 " ¿7,4

Продолжение таблицы 3.1.

Вид нагружения ! <5* , кг/Ы* ! ё , кг/см • с

Бразильский метод 42,5 8,1

(растяжение) 43,И 0,103

264 32

Чистый изгиб •¿•¿А 4

204 0,7

209 0,043

349 II ¿5

Поперечный изгиб ' 334 0,УВ

. 1213 887

Сжатие ваз,4 1УВ

"798,5 65,2

665,25 3,2 '

Установлено, что прочность песчаника при поперечном изгибе на 38$ шве, чем при чистом изгибе. Построена последовате-

льность роста прочности в зависимости от вида нагружения: растяжение (бразильский ыегод), частый изгиб, поперечный изгиб, сжатие.

в § 3.2 приведены результаты исследования влияния концентрации и градиента напряжений на процесс деформирования й разрушения каратауских осадочных горных пород. Для исследования влияния концентрации напряжения испытаниям подвергнуты образцы с искусственными дефектами. Испытания проведены в режиме нагру-жения ступенями» Результаты опытов показали, что процесс ползучести наиболее интенсивно проявляется в течение нескольких часов каждой ступени, затем постепенно стабилизируется. Вплоть до разрушения процесс ползучести носил затухающий характер и только шаъ в последний момент происходит резкое повышение деформации. Разрупеше наступало за очень короткий промежуток времени.

- 1У -

На рис.3.0 показана одна из кривых ползучести образца песчаника при нагружении ступеням (а) и последняя ступень процесса, предшествующая разрушению (б). Полученные опытные данные аппроксимированы уравнением наследственности. Анализ значений реологических параметров показал, что наличие искусственных дефектов на величины реологических параметров существенно не влияет.

Проблема определения градиентов напряжения не так проста. Дело в том, что градиенты напряжения присутствуют в неоднородных полях напряжения, а для изменения градиентов напряжония приходится обычно изменять объем образцов. Это в свою очередь влияет на предельное напряжение. В связи с этим, рассматривалось совместное влияние объема образцов и градиентов напряжений. Расхождение в величинах прочности образцов песчаника при испытаниях На чистый и поперечный изгибы, объясняется влиянием градиентов напряжений. Экспериментально установлена зависимость прочности цилиндрических образцов песчаника различных геометрических размеров от скорости нагружения при сжатии. Установлен факт падения прочности при увеличении высоты цилиндрического образца. Па рис.3.I показан один из графиков зависимости прочности от размеров образца при скорости нагружения <3 «• 875 кг/см^ с.

В 5 3.3 оценено влияние силового фактора на процессы деформирования и разрушения горных пород. Предложена методика определения предельной величины горного давления на примере расчета ¡ЩС горизонтальной выработки.

Рассмотрено напротенно-деформироваяное состояние массива вокруг горизонтальной выработки (рис.3.2) круглого сечения в условиях ползучести горных пород в постановке Ж.С.Ержалова. Значения реологических параметров взяты из проведенных лабораторных экспериментов.

Построены оплрч напряжений и перемещений на контуре вира-

- ¡¿о -

ботки. Значения контактного давления, обусловленного ползучестью горнъгх пород, вычислены по следующим формулам: Без учета сцепления; упругая крепь:

А«

сзл)

» ь

Жесткая крепь:

О учетом сцепления; упругая крепь:

^-Г^Г|-№2>))СО520] , (3.3)

Жесткая крепь:

Значения контактного давления,вычисленные по формулам (3.1-3.4) на рис.3.3 показаны сплошной линией.

Затухающий характер горного давления имеет некоторую предельную величину. Для оценки предельной величина горного давления предложена следующая кегодика. Для упругой крепи найдем кэ (3.1) при условии: 6-^оа и £=£оо (3.5)

где ( X , р - реологические параметры).

Для меткой крепи воспользуемся выражением (3.21 с учетом (3.5). На рис.3.3 значение , найденное по этой методике показано пунктирной линией. Сравнение значений горного давления, найденные по двум методикам показал, что отклонение составляет всего 1-2%.

В заключении приведены основные ешзодн, полученные в диссертации.

3. Прочность осадочных горных пород находится в прякой зависимости от скорости нагружения. При уменьшении скорости наг-

ружения, в целвм для всех испытанных типов пород характерно падение прочности, но имеется интервал, где прочность практически не зависит от скорости нагружения. Характер разрушения пород при чистом изгибе соответствует представлению о малодеформационном хрупком разрушении материалов. При больших скоростях нагружения происходит хрупкое разрушение, а пр1 малых - квазихрупкое или длительное разрушение. При хрупком разрушении энергия разрушения больиэ, чем при длительном разрушении. На основе этого при кратковременных испытаниях можно определить пределы мгновенной и длительной прочности.

а. Процесс ползучести при чистом изгибе удовлетворительно описывается уравнением наследственности со степенным и дробно-экспоненциальным ядрами. Если процесс ползучести носит затухающий ^характер и вплоть до излома образца описывается уравнением наследственности с дробно-экспоненциальным ядром, то параметры ползучести являются параметрами и длительной прочности. Длительную прочность можно описать выражением (2.5).

3. В процессе затухающей ползучести образцы осадочных пород при чистом изгибе упрочняются. Структуры неоднородности образцов горных пород существенно влияют на процесс деформирования. Этим объясняется разброс данных при экспериментальных исследованиях.

4. Наличие искусственных дефектов на образцах пород существенно не влияет на величины реологических параметров при чистом изгибе. Существенен.режим нагружения. Прочность пород при поперечном изгибе больше, чем при чистом изгибе.

5. Прочность испытанных горных пород при одноосном сжатии находится в прямой зависимости от геометрических размеров образцов. Для образцов каратауского песчаника при увеличении отношения высоты образца к его диаметру характерно падение проч-

ности во всем испытанном диапазоне изменения скорости кагруже-ния.

6. Для тех случаев, когда изменение горного давления во времени носит затухающий характер и имеет некоторую предельную величину, предложена простая, с точки зрения практики, методика определения предельного значения горного давления.

Основные результаты диссертации отражены в следухицих работах:

1. Искаибаев А.!!., Кожамкулов Т.А. К оценке прочности наследственных сред // Известия АН'КазССР, серия физ.-мат.наук.

- 1УУ0, Р 5. -Деп. в ВИНИТИ. - Jf 3544-ВУО от 21.06.90.

2. Кожамкулов Т.А. Установление степени влияния скорости нагружения на механические свойства осадочных горных пород. Труды научно-технической конференции "Молодежная инициатива и цветная металлургия". -Алма-Ата. -1991. -С.46-50.

3. Искакбаев А.И., Кожамкулов Т.А. Исследование процессов ползучести и разрупенич ггаратауских осадочных горных пород // Известия Ali КазССР, серия физ.-маг.наук. -1УУ2, № 3. -Деп. в ВИНИТИ. - №467-ШУ от II.СИ.УН.

4. Искакбаев А.П., Кожамкулов Т.А., Исаев Д.К. О некоторых особенностях процесса деформирования осадочных горных пород // Известия № КАЗССР, серия физ.-мат.наук. -1УУ2, К» 3. -Деп. в ВШШ'И. - Я 4ЫЗ-Ш2 от I1.0*.92.

5. Искакбаев А.И., Кожамкулов Т.А., 0 факторах, влияющих на механические характеристики горных пород // Известия АН Республики Казахстан, серия физ.-шт.наук. -1УУ2, W 5. -Деп. в ВИНИТИ. - Г? ¡¿160-ВУ2 от 3.07.У2.'

ДО

гоо

6", кг/см1

«я-

$оо-

6,*кг/смг

t\

S Й

Рио.1.1

е,кгАп'-с <Г -i-i—» I_i_

<5,кг/спг-с

-1_,—

<D3 seo «год

Рис Л. 2

6*кг/с«г

40 во

Рис.1.3

б,кг/кп*с

Рис. 1.4

IV

<5,кг/сп'с _1-■ -

25

Рис.I.Ь

Рис.'?-. I

«.г

и

to

X и

ш

¿.«к

■ ■

»

48 40

69

«20

¿нас

I

1 I

Рис.2.3

Рйе.2.4

?vn.3.0