Раздел II. Прочностные свойства горных пород

Прочностью называется способность горных пород сопротив­ляться разрушению под действием внешних нагрузок. Прочность оценивается величиной критических напряжений, предшествующих разрушению породы. Такие напряжения называют пределами прочности. К числу основных прочностных показателей горных пород относят пределы прочности при сжатии и растяжении (см. приложение, табл. 4).

Для определения показателей прочности применяют прямые и косвенные методы испытаний, заключающиеся в измерении разрушаю­щих сил при соответствующем нагружении образцов горных пород. В качестве образцов используют керны или монолитные бло­ки, отделяемые от массива механическим способом. Нагружение об­разцов осуществляют на гидравлических прессах или испытатель­ных машинах, обеспечивающих их разрушение.

При испытании образцов горных пород на результаты влияет ряд факторов технического и природного характера. Первые опре­деляются условиями нагружения образца, степенью и качеством его подготовки, способом передачи и скоростью приложения нагруз­ки. Вторые обусловлены природной неоднородностью пород, их минералого-петрографическими особенностями. В связи с этим для сопоставимости результатов каждый из методов испытаний предус­матривает определенные требования к форме и размерам образцов и условиям их нагружения.

Методы определения прочностных показателей горных пород при сжатии и растяжении представлены ниже.

2.1. Определение предела прочности горных пород на сжатие

Предел прочности породы (σ_сж.) определяется отношением разрушающей силы (F_max) к начальной площади сечения (S) образца, Па:

σ_сж = F_max / S.

Скорость нагружения при испытаниях выбирают в зависимости от прочности породы в пределах 0,1  5 МПа в секунду.

Для испытаний необходимо использовать образцы цилиндричес­кой формы диаметром 4050мм, высотой равной 0,91,1 диамет­ра. Допускается испытание кубических образцов с длиной ребра 4050мм. Торцы образцов должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны к боковой поверхности.

Если образец имеет иное отношение высоты к диаметру, необходимо произвести пересчет результатов испытаний по формуле:

2.1

где   - показатель прочности образца с нестандартными размерами; d - диаметр нестандартного образца; h - высота нестандартного образца.

При испытании образцов, диаметры которых не соответствуют требованиям методики, результат уточняется расчетом по форму­ле:

2.2

где   - показатель прочности образца нестандартного диамет­ра; d" - диаметр нестандартного образца.

Показатель прочности при сжатии часто используется как относительная характеристика, позволяющая сопоставить различ­ные породы. Он используется, в частности, для определения коэф­фициента крепости (f ) пород по Протодьяконову М.М., представляюще­го выражение:

f = σ_сж· 10^-7 2.3

где _сж - предел прочности породы при сжатии, Па.

Коэффициент крепости является величиной безразмерной и служит характеристикой сопротивляемости горных пород при любых видах разрушения. Классификация пород М.М. Протодьяконова по величине коэффициента крепости приведена в табл. 5 приложения.

Оборудование и материалы. Пресс с силоизмерительным устрой­ством, штангенциркуль, образцы испытуемой породы.

Порядок выполнения испытаний. Подготавливают к работе пресс, установив стрелку силоизмерительного устройства в нулевое положение. Измеряют диаметр об­разца и устанавливают его торцом в центре опорной плиты пресса без каких-либо прокладок и смазки. Пресс приводят в действие и образец нагружают со скоростью в пределах от 0,1 до 5МПа в секунду. После разрушения образца пресс выключают. По шкале силоизмерителя определяют разрушающее усилие. Эксперимент повторяют для каждого из образцов.

Обработка полученных результатов. Предел прочности породы на сжатие определяется по формуле, Па: σ_сж= 4F_max/( ·d² ), где F_max - разрушающее усилие, Н; d - диаметр образца, м.

При необходимости результат уточняется по фор­мулам (2.1) и (2.2). По формуле (2.3.) определяется коэффициент крепости породы.

Порядок оформления работы. Приводится схема нагружения об­разцов и краткое описание эксперимента. Результаты измерений и расчетов представляются в виде таблицы (форма 6).

Результаты исследований подвергаются аналитической обработ­ке с целью определения среднего значения параметров, доверитель­ного интервала и коэффициента вариации.

Форма 6

Номер образ­ца	Испытуемая порода	Диаметр образца, d, м	Разрушающая нагрузка, Fmax,Н	Предел прочнос­ти, сж, Па	Коэффициент крепости, f