Деформування і руйнування гірських порід за межею міцності

В процесі навантаження породний зразок проходить ряд послідовних напружено-деформованих станів від нульового до граничного. У найпростішому випадку при одноосному стисненні (розтягуванні) одному компоненту напруги відповідає один компонент відносних повздовжніх деформацій: . Досягти граничного стану () можна двома шляхами: у режимі заданих навантажень (РЗН) і в режимі заданих деформацій (РЗД). У першому випадку на пульті преса задають послідовно з певним інтервалом навантаження і фіксують в автоматичному режимі відповідні прирости деформацій. Досягши граничних навантажень Р_гр починають руйнуватися перші структурні зв'язки і потенційна енергія, накопичена у випробувальній машині, викликає лавиноподібне руйнування залишившихся зв'язків, що приводить до руйнування зразка.

Інша картина руйнування спостерігається при випробуваннях зразків в режимі заданих деформацій. В цьому випадку випробувальна машина повинна бути сконструйована так, щоб була можливість задавати деформацію, що строго фіксується, з кроком)g і вимірювати відповідні їй зміни навантаження)Р.

Характерний графік деформації зразка гірської породи ОАВ приведений на рис. 1. При деформації після досягнення межі міцності зразок знижує свій опір: на ділянці деформування DE опір зразка падає від точки А до точки В. Енергія, необхідна для деформування зразка на цій ділянці, рівна площі АВЕD. На початку розглядуваної ділянки (точка А) опір зразка і сила пресу були рівними між собою. При цьому напруженні частини пресу виявляються пружно деформованими.

Рис.1. Деформування гірських порід

за межею міцності:

1—характеристика нежорсткого пресу;

2—характеристика жорсткого пресу.

Енергія пружної деформації накопичується в колонах преса, в зігнутих траверсах, в стиснутому маслі гідроциліндрів. При зменшенні відстані між плитами пресу на величину DЕ створюване їм зусилля зменшиться на величину dР. При цьому, якщо прес недостатньо жорсткий, зусилля знизиться до точки F і потенційна енергія, що виділилася при цьому, рівна площі АFED, перевищить енергію, необхідну для руйнування зразка на ділянці DЕ. Надлишок енергії, рівний площі АFВ, піде на прискорення навантажуючих частин преса, процес руйнування стає некерованим і супроводжуватиметься динамічними явищами (ударом, розльотом осколків).

Якщо ж прес має жорстку конструкцію і його елементи мало деформуються під навантаженням, то зменшення відстані між плитами викличе зниження зусилля преса до точки С, лежачої нижче характеристики зразка. Енергія АСЕD, що виділяється при цьому, менша необхідної енергії руйнування зразка і тому руйнування лише за рахунок енергії пружних деформацій пресу неможливе. Для переведення зразка із стану А в стан В необхідна додаткова енергія, яка рівна площі АВС, що підводиться ззовні, наприклад, шляхом підкачки масла в гідросистему пресу.

Таким чином, для отримання позамежних характеристик породних зразків необхідно, щоб характеристика пресу була крутішою позамежної частини графіка деформації зразка. Крутизна характеристики називається жорсткістю пресу і визначається з виразу

Q (1)

де - зміна зусилля пресу при зміні відстані між його навантажуючими поверхнями на величину при інших постійних параметрах.

Практика показує, що для отримання позамежних характеристик досить, щоб жорсткість пресу визначалась співвідношенням

Q= F, МПа, (2)

0 g

Рис.2.Можливі графіки деформування

де F—площа поперечного перерізу зразка, см². Характерні графіки позамежного деформування гірських порід приведені на рис.2.

Крутизна позамежної частини графіка деформації показує схильність породи до крихкого руйнування.

Аналогічно тому, як величина Е в пружній частині домежевої деформації називається модулем пружності, пропонується величину в позамежній частині називати модулем крихкості, або модулем спаду М. В цьому випадку породи з М 0 вважатимуть крихкими, з М -пластичними.

Для випробування гірських порід в режимі контрольованого руйнування в умовах об'ємного стиснення зразки випробовують в особливих приладах - стабілометрах, в яких робочим тілом, що створює бічне навантаження, служить рідина, наприклад, трансформаторне масло. Загальний вигляд графіка деформування мармуру в об’ємному напруженому стані приведено на рис. 3.

Рис.3. Деформування мармуру за межею міцності в умовах об’ємного навантаження

При жорсткому навантаженні гірських порід виділяють наступні етапи деформації (див. рис. 1.):

I - етап пружної деформації: прирости осьових і радіальних відносних деформацій на цьому етапі зв'язані коефіцієнтом Пуассона :

(3)

Збільшення осьових деформацій викликає зменшення об'єму зразка;

II - етап дилатансії: на цьому етапі відбувається розвиток тріщин в зразку, що супроводжується його розпушуванням, збільшенням об'єму і порівняно швидким збільшенням діаметру; приріст осьових і радіальних деформацій зв'язаний коефіцієнтом дилатансії :

(4)

III - етап еквіволюміальний, на цьому етапі об'єм зразка залишається постійним, а приріст осьових і радіальних деформацій зв'язаний співвідношенням

(5)

Позамежна деформація порід - цілком реальний процес, що має місце в гірських виробках: деформація порідних целіків, приконтурного масиву виробок, краєва частина вугілля в лавах і т.п.

Глибокі дослідження деформації гірських порід за межею міцності були виконані А.Н. Ставрогиним і А.Г. Протосеней, В.В. Виноградовим.