книги из ГПНТБ / Дудушкина, К. И. Деформационные свойства пород глубоких горизонтов

кубиков полуправнльной формы в количестве 15—20 шт., коэффициент вариации при-этом не превышал 30%._________________________________________________

41

Обозначим через К модуль сцепления с индекса­ ми вида напряженного состояния

тие трещины вдоль изолинии сті в зоне неполной пла­ стичности сопровождается ее ускорением, приводя­

у в е л и ч е н и е м г и д р о с т а т и ч е с к о г о д а в л е ­ ния на об ра з е ц . Согласно теориям прочности горных пород наложение гидростатической состав­ ляющей увеличивает их прочность на сдвиг. Породы в условиях их естественного залегания находятся под влиянием веса вышележащей толщи и напряжений тектонического происхождения. В сравнении с одно­ осным нагружением сопротивляемость породы при вдавливании штампа отражает возрастание прочно­ сти ее, обусловленное объемным напряженным со­ стоянием. Если при этом образец дополнительно на­ гружается гидростатическим давлением, параметры вдавливания штампа, отражающие пластические и прочностные свойства пород, возрастают. Эти зако­ номерности были установлены при внедрении штампа в образцы, предварительно помещенные в камеру для поддержания заданного гидростатического давления. Камера высокого давления (до 600 кгс/см2) монти­ руется в общей схеме с установкой УМГП-3. Измене­ ние гидростатического давления на образце в первом приближении можно отождествить с изменением глу­ бины залегания породы или давлением, соответствую­ щем уН.

На рис. 3—5 представлены параметры по данным вдавливания в функции глубины (4рг — уН), измене­ ние которых можно отождествить с кривой предель­ ных состояний. Диапазон параметров, характеризую-

42

щих предельные состояния песчаников поля шахты «Коксовая» (скв. 6946), несколько выше диапазона параметров соответствующего песчаникам поля шах­ ты «Красногорская» (скв. 6947).

Рис. 6. Параметры кривой вдавливания плоского штампа в песчаник крупнозерни­ стый светло-серый с кремнисто-глинистым цементом (поле шахты «Ноградская», 12 м от контура выработки в пласте Горелом,

глубина 225 м)

Рис. 7. То же, что на рис. 6; дополнитель­ но: 20 м от контура выработки и при го­ ризонтальной слоистости за счет детрита

Наличие элементов структурного ослабления в ви­ де детритовых включений, глинистого состава цемен­ та и т. д. характеризуют породу как материал ослаб­ ленный с выраженными пластическими свойствами (зона Б ) . Аналогично поведение пород, испытанных по шахтным пробам (рис. би 7).

Модуль пластичности пород Еп при этом практи­ чески постоянная величина (рис. 8). Показателем из­ менения пластических свойств пород служит отно­ шение твердости по штампу рш к условному пределу текучести ро, рост которых с изменением гидростати-

44

КХгрЛ^ 'П Л

( - У

\ Рш /

Следует оговорить условия эксперимента с гидро­ статическим давлением, где влияние среды, передаю­ щей давление, играет не маловажную роль. Снижение эффекта всестороннего сжатия при взаимодействии неизолированного образца с жидкостью изучалось специальным экспериментом. В качестве жидкости использовали воду и масло (табл. 4). При испы­ тании в масле увеличение параметров вдавливания с ростом давления подчинялось установленной законо­ мерности, значит отрицательное влияние среды на

45

породу не проявилось. При испытании в водной сре­ де влияние (рис. 10) последней хорошо заметно и зависит от времени выдержки образца под давле­ нием.

Полученные результаты свидетельствуют об эф­ фективности увлажнения с целью снижения концент­ рации упругой энергии в породах и увеличения пла­ стических свойств. Чем выше давление подаваемой жидкости и продолжительнее процесс, тем большее его влияние на свойства горных пород.

§ 6. УПРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Упругие свойства горных пород чаще всего про­ являются в совокупности с неупругими эффектами. Поведение пород, наиболее близкое к упругому, на­ блюдается при динамическом нагружении. При ста-

46

тических нагружениях длительность приложения на­ грузки влияет существенно, что приводит к необхо­ димости пользоваться такими понятиями, как модуль деформации, коэффициент поперечной деформации,

р0,кгс/ммг

Рис. 10. Изменение условного предела текучести р 0 песчаников, нагруженных в водной среде штампом при различном гидростатическом давлении р Г:

1 — песчаник среднезернистый, цемент крем­ нисто-глинистый; 2 — песчаник крупнозерни­ стый, цемент кремнисто-глинистый; 3 — песча­ ник крупнозернистый, карбонатный; 4 — песча­ ник крупнозернистый с обломками алевролита диаметром 2—3 см; 5 — песчаник крупнозерни­ стый, косослонстый, с кремнисто-глинистым цементом; 6 — песчаник среднезерннстый,

скремнпсто-глнннсто-кальцитовым цементом

чтобы отличить их от модуля сдвига и коэффициента Пуассона. Упругие и прочностные свойства пород из­ меняются в зависимости от их агрегатного состояния. Многочисленные данные свидетельствуют в пользу развития акустических методов определения физико­ механических параметров горных пород, дающих ин­ тегральные характеристики, многократно воспроизвомые и быстро определяемые.

Дополнительным требованием при этом является стабилизация условий проведения экспериментов, в частности скорости приложения нагрузки, центри­ рование образцов и т. д. При массовых определениях упругих параметров горных пород динамический ме­

47

тод имеет значительные преимущества и использует­ ся нами как составная часть комплексного экспрессметода.

Поскольку акустические свойства осадочных по­ род Кузбасса не подлежали систематическому изуче­ нию, в исследование были включены основные лито­ логические разновидности различных глубин (от 100 до 1200 м). В результате установлено, что скорость распространения для исследуемых пород находится в

шая скорость продольных и поперечных волн харак­ терна для мелкозернистых пород, причем песчаники и алевролиты характеризуются одинаковым интерва­ лом изменения скоростей (средние значения продоль­ ных и поперечных волн мелкозернистых пород 4500 и 2850 м/сек). Минимальные значения скоростей рас­ пространения характерны для аргиллитов, а также других разновидностей пород, обладающих более вы­ сокой пористостью и наличием органогенного дет­ рита.

§ 7. ПОЛЗУЧЕСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Свойства ползучести осадочных пород Прокопьев- ско-Киселевского месторождения Кузбасса изучены различными методами, в частности при нагружении

ром линейной теории наследственности. Безразмер­ ный параметр слабых пород (алевролита, аргиллита) и углей в расчете на ползучесть элемента массива близок постоянной величине, равной 0,8. Отклонения от указанного среднего на отдельных образцах зна­ чительны, соответственно их индивидуальным особен­ ностям и изменяющимся условиям нагружения. Сред­ ние значения параметров ползучести, полученных в лабораторных и натурных условиях, согласуются между собой. Деформации ползучести углевмещаю­ щих пород разных формаций ряда бассейнов страны, удовлетворительно описываются линейной теорией наследственности с абелевым ядром ползучести. Сум­

43

марный диапазон значений параметров ползучести пород и углей Кузбасса равновелик диапазону пара­ метров ползучести аналогичного комплекса пород и углей Караганды [31].

Испытания горных пород в условиях поперечного изгиба при нагружении на ползучесть общеприняты по ряду практических соображений. Получить надеж­ ные результаты при растяжении образцов горных по­ род длительно действующими нагрузками трудно как в связи с необходимостью разделывания головок об­ разца под захваты испытательной машины и его точ­ ного центрирования, так и из-за очень малой сопро­ тивляемости пород растягивающим усилиям.

Постановка опытов на одноосное сжатие цилинд­ рических или призматических образцов пород проще. Получаемые при этом результаты тем ближе к одно­ мерным, чем больше высота образца. Если высота образца более чем в 4 раза превышает его средний поперечный размер, то незначительная эксцентренность нагружения может вызвать заметный эффект продольного изгиба, существенно меняющий распре­ деление напряжений в образце [37, 50]. Механическое состояние изгибаемого образца близко к одномерно­ му, если размеры его поперечного сечения достаточ­ но малы по сравнению с пролетом; при таких испы­ таниях, естественно, следует учитывать неоднород­ ность напряженного состояния образца.

Важно отметить, что перечисленные особенности выявлены при испытаниях образцов, имеющих рав­ номерную структуру.

Особенностью деформирования пород изгибом яв­ ляется образование упругопластических шарниров, порождающих явление последействия, сложно разви­ вающихся в анизотропных и неоднородных породах.

Методика испытаний ползучести изгибом

определение прочностных характеристик, необхо­ димых для расчета величин нагрузок при основных испытаниях;

определение модуля упругости горных пород;

49

предварительную оценку характера проявления свойств ползучести рассматриваемых горных пород.

Прочностные характеристики при изгибе для каж­ дой породы определяются как средние результаты испытаний шести балок.

Модули упругости определяются для каждой бал­ ки по кривой ДР—АН, а также в специальном опыте циклического нагружения по последним петлям гисте­ резиса.

Величина немедленного (упругого) прогиба в се­ редине пролета балки прямоугольного сечения, опи­ рающейся концами и нагруженной в середине про­

Опыты, предназначенные для оценки проявления свойств ползучести горных пород, проводятся при на­ гружении и последующей разгрузке балок равными ступенями. Величина ступени нагружения (разгруз­ ки) равна примерно 7б максимальной нагрузки, рав­ ной 60% соответствующей разрушающей. После при­ ложения каждой ступени нагружения (разгрузки) образец выдерживается под нагрузкой в течение 48 ч.

Горизонтальные отрезки графиков в координатных осях нагрузка — прогиб отражают проявление пол­ зучести горной породы. Делается оценка суммарной деформации ползучести по сравнению с упругой как прямой, так и обратной.

О с н о в н ы е опыты имеют целью:

установление степени нелинейности процесса пол­ зучести; получение опытных данных о ползучести горных пород при длительном действии нагрузок, вплоть до стабилизации процесса деформирования.

Исследования свойств ползучести пород можно осуществить либо задаваясь постоянной нагрузкой

50