2.2. Одноосное сжатие

Испытания при одноосном сжатии проводят на цилиндрических образцах диаметром 40…50 мм, с отношением длины образца l к его диаметру d, близким к единице. При одноосном сжатии имеет место простое напряженное состояние, т.к.

σ₁ = σ₂ = 0; σ₃ < 0,

где σ₁, σ₂ и σ₃ – компоненты главных нормальных напряжений.

Схема испытания горной породы при одноосном сжатии приведена на рис. 2.1, а. Образец породы нагружается до его разрушения. По величине максимальной нагрузки P_max и площади F начального поперечного сечения образца горной породы определяют предел прочности на одноосное сжатие:

_сж = P_max/F, (2.1)

где F = = 0,785d².

Измерения упругого изменения длины Δl и диаметра Δd образца горной породы, как показано на рис. 1.1, б, позволяют определить основные показатели упругих свойств горной породы: модуль упругости горной породы при одноосном сжатии (модуль Юнга) Е_сж и модуль поперечной деформации (коэффициент Пуассона) _сж:

Е_сж = ; (2.2)

_сж = , (2.3)

где l и d - начальные длина и диаметр образца горной породы.

а б

Рис. 2.1. Схема испытания горной породы при одноосном сжатии (а) и графики зависимостей Δd и Δl от Р (б)

Классификация горных пород по величине прочности на одноосное сжатие приведена в табл.2.1. Из табл. 2.1 видно, что горные породы по прочности разделены на пять групп и двенадцать категорий. В соответствии с этой классификацией готовят породоразрушающие инструменты зарубежные фирмы.

Таблица 2.1

Классификация горных пород по показателю прочности

на одноосное сжатие

Группы	Очень слабые	Слабые	Средние	Прочные	Очень прочные
Категории	1, 2, 3	4, 5, 6	7, 8, 9	10, 11	12
рш, МПа	< 10	10-35	35-120	120-270	>270

Неравномерное всестороннее сжатие характерно для горных пород в условиях их залегания. Оно характерно тем, что хотя бы одно главное напряжение не равно двум другим, а все главные напряжения не равны нулю.

Испытания горных пород в условиях всестороннего сжатия показали:

1) хрупкие горные породы в условиях простого напряженного состояния становятся пластично-хрупкими в условиях всестороннего сжатия;

2) предел текучести и предел прочности горных пород растут по мере увеличения среднего нормального напряжения, характеризующего уровень всестороннего сжатия; 3) энергоемкость разрушения горной породы также возрастает по мере увеличения среднего нормального напряжения.

2.3. Метод статического вдавливания штампа

Испытаниями при вдавливании в поверхность материала острого конуса, сферы и штампа определяется твердость материалов. Все вдавливаемые инструменты называют инденторами. При вдавливании под индентором имеет место сложное напряженное состояние, при котором все компоненты главных напряжений не равны нулю.

Л.А. Шрейнер, анализируя методы, предложенные для измерения сопротивления горных пород вдавливанию, и методы измерения твердости вдавливанием, пришел к выводу о необходимости принци­пиально изменить способ измерения. Суть выводов Л.А. Шрейнера сводится к следующему. Если при определении твердости упруго-пластичных тел задается нагрузка, а измеряет­ся площадь или глубина полученного под индентором отпечатка, то для горных пород, как тел хрупких, следует задать площадь контакта и измерять наг­рузку на индентор, под действием которой происходят деформиро­вание и разрушение породы.

Наиболее удобной геометрической формой индентора является цилиндрический штамп с плоским основанием (рис. 2.2). В настоящее время используются штампы диаметром d от 1,5 до 5 мм.

Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания. Для определения механических свойств горных пород методом вдавливания штампа необходимы образцы пород высотой 30…50 мм и диаметром 40…60 мм. Эти образцы должны иметь две плоско- параллельные шлифованные поверхности.

а б

Рис. 2.2. Схемы деформирования и разрушения горной породы

при вдавливании штампа: а - упругое вдавливание;

б- хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания;

1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок породы; 4 - лунка

Испытания ведутся при весьма малой скорости нагружения штампа, поэтому в литературе широко используется другое название метода - метод статического вдавливания штампа.

Штамп в образец породы вдавливается до тех пор, пока при неко­торой нагрузке не произойдет хрупкое разрушение породы под штампом или не будет достигнута предельная величина внедрения.

Обработка результатов испытаний. Горные породы по характеру зависимости нагрузки Р на штамп от глубины h его внедрения делятся на три класса: I - хрупкие, II - пластично-хрупкие, III - высокопластичные и сильнопористые.

На рис. 2.3, а приведена характерная зависимость Р от h для хрупких горных пород. Из рис.2.3, а видно, что при деформировании вплоть до момента хрупкого разрушения соблюдается закон Гука. По наибольшей нагрузке Р_max определяется твердость породы по штампу р_ш:

p_ш = , (2.4 )

где F - площадь штампа (F= 0,785d²); d - диаметр штампа.

а б в

Рис. 2.3. Типовые зависимости Р от h для горных пород различных классов:

а - хрупких; б - пластично-хрупких; в – высокопластичных