54. Прочностные свойства горных пород.

Под прочностью горной породы (а также любого твердого те­ла) понимают ее способность сопротивляться силовым воздействи­ям, не разрушаясь. Порода перестает быть прочной, если в ней на­рушаются внутренние связи и происходит разрыв, расчленение ее на части.

Прочность породы определяется величиной критических напряжений, при которых происходит ее разрушение, т.е. отношение максимальной силы, при которой происходит разрушение породы, к исходной площади поперечного сечения ее.

Они носят название пределов прочности. Различают пределы прочности при сжатии σсж, растяжения-σр, сдвиге τсд , изгибе σизг и др.

разрушение - это разрыв связей между атомами и ионами в кристаллической решетке.

Предел прочности при одноосном сжатии [σсж] или, короче, прочность на сжатие пород характеризует значение напряжения, которое выдерживает образец до разрушения при одноосном сжатии. Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.

Прочность на растяжение [σр] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характерных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивляются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит критерием

опасности обрушений пород и разрушения горных выработок.

Прочность на срез (сдвиг) может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и

углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

τn = σn tgφ + [τ0],

где σn —нормальное напряжение при срезе; (φ—угол внутреннего трения; [τ0]—сцепление.

Сцепление [τ0] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давление, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внутреннего трения. Угол внутреннего трения φ или коэффициент внутреннего трения tgφ характеризует интенсивность роста срезающих напряжений с возрастанием нормальных

напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных dτn и

нормальных dσn напряжений при срезе:

dτn

tgφ = --------

dσn

Значение сцепления горных пород меняется в пределах от десятых долей (глины, мергели, слабо сцементированные песчаники и др.) до сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр (прочные песчаники и массивно-кристаллические

породы), угол внутреннего трения—от 10—15 для некоторых глин до 35—60° для прочных массивно-кристаллических и метаморфических пород (граниты, сиениты, кварциты и др.).

Применительно к горным породам получила распространение теория прочности Мора, основанная на зависимости между касательными- τ и нормальными -σ напряжениями в каждой точке тела, находящегося в сложнонапряженном, т.е. объемном напряженном состоянии. Согласно теории τ = ƒ(σ) в любой точке тела в объемном напряженном состоянии.

По теории Мора разрушение наступает тогда, когда касательные напряжения -τ превысят определенное значение – τкр, величина которого тем больше, чем больше нормальные напряжения, действующие на породу, либо когда при τ =0 нормальные растягивающие напряжения превысят определенный предел, равный σр , т.е. пределу прочности при растяжении. В любой точке породы при ее нагружении возникают касательные и нормальные напряжения, которые взаимосвязаны и могут быть рассчитаны.

Связь между τ и σп обычно представляют графически с помощью так называемых кругов напряжений.

Отношение между приращением касательных и нормальных разрушающих напряжений называют коэффициентом внутреннего трения породы, т.е.tgφ – коэффициент внутреннего трения.

τ = τ1 + σtgφ, где φ – угол внутреннего трения породы; τ1 – предел прочности породы при срезе (чистом сдвиге) в условиях отсутствия нормальных напряжений, называемых сцепление породы.