Реологічні властивості гірських порід

Механічні характеристики гірських порід визначають звичайно при короткочасному прикладенні навантажень. Елементи ж систем розробки, гірські виробки, кріплення сприймають навантаження протягом багатьох років.

Питаннями поведінки матеріалів, в т.ч. і гірських порід, в умовах тривалих силових дій займається реологія - наука про текучість речовини.

Залежно від зовнішніх умов, зміна напружено-деформованого стану твердого тіла в часі може йти двома шляхами. Наприклад, навантажимо зразок гірської породи, що має форму циліндра, деяким постійним не руйнуючим навантаженням, що створює практично миттєво цілком певну відносну деформацію, величина якої залежить від модуля пружності матеріалу і величини прикладеного навантаження. У подальші моменти часу, не дивлячись на те, що напруги не міняються, деформація не залишатиметься постійною, як це витікає із закону Гука. Величина її монотонно зростатиме.

Реологічне явище, яке заключається в тому, що з часом при постійному напружені спостерігається зростання деформацій, носить назву повзучості деформацій.

У іншому випадку здавимо зразок між двома плитами пресу так, щоб протягом всього досліду відстань між ними була строго фіксованою, тобто, щоб не змінювалась в часі. Станемо вимірювати тиск на плити пресу з боку зразка і переконаємося, що з часом величина його падатиме.

Реологічне явище, яке заключається в тому, що з часом при постійній деформації спостерігається зменшення рівня напруження називається релаксацією напружень.

Задачею реології є опис напружено-деформованого стану гірських порід і інших матеріалів з урахуванням їх схильності до повзучості і релаксації. Ця задача зводиться до складання так званих рівнянь стану, тобто таких рівнянь, які зв'язують в єдині співвідношення компоненти напружень, деформацій і їх похідних за часом.

У всіх наявних дослідженнях вважається, що рівняння стану достатньо точно описують зміни напружено-деформованого стану матеріалів в тому випадку, якщо зовнішні умови такі, що деформації і напруження не можна вважати постійними.

Для наочності представлення реологічних процесів звичайно використовують метод структурних моделей. Цей метод полягає в тому, що властивості тіла описуються за допомогою особливим чином підібраної механічної моделі. Модель повинна складатися з елементів, що ідеально відображають основні - фундаментальні - якості вихідного матеріалу. Так, наприклад, при певному рівні навантажень і достатньо швидкому їх прикладанню всі тверді і зв'язні гірські породи поводяться як пружні тіла, що підкоряються закону Гука. Ця властивість твердих тілмоделюється пружиною, жорсткість якої пропорційна модулю пружності (елемент Гука) (рис. 5, а). Пружні властивості твердих тіл не залежать від часу:

(7)

Спеціальними дослідженнями встановлено, що межі зерен в полікристалічних матеріалах, до яких відносяться і гірські породи, поводяться як в'язка рідина. Ця обставина призводить до того, що температура певним чином змінює внутрішнє тертя в таких тілах, їх деформаційні і міцнісні характеристики. В умовах достатньо тривалих зовнішніх навантажень полікристалічні матеріали поводяться в цілому, як дуже в'язка рідина.

а)

б)

Рис.5.Елементарні реологічні моделі:

Гука; б)Ньютона; в) Сен-Венана

в)

В'язкі властивості матеріалів моделює елемент Ньютона (рис.5, б), який являє собою демпфер-циліндр з отворами, який занурений у в'язку рідину. Швидкість деформації в цьому випадку пропорційна діючому напруженню

(8)

де - коефіцієнт в'язкості, - коефіцієнт текучості.

При заданому постійному напруженні повна деформація до моменту часу t буде

, а при напруженнях, які змінюються в часі

При достатньо великих навантаженнях в гірських породах починається руйнування внутрішніх структурних зв'язків, що приводить до утворення необоротних (пластичних) деформацій. Цю властивість реальних твердих тіл відображає елемент Сен-Венана. Він є елементом сухого тертя: брусок, що лежить на жорсткій поверхні (рис. 5, в). При навантаженні, меншому деякої критичної величини S, деформація рівна нулю, при більшому - деформація не визначена: система приходить в рух і брусок залишається там, де припинилася дія сили.

Таким чином, розглянуті вище елементарні механічні моделі мають цілком певну фізичну основу. З’єднуючи структурні елементи один з одним тим або іншим чином, створюють складніші моделі, що у значній мірі відображають реальні властивості конкретних матеріалів.