Физико-технические свойства пород.

Уяснить разницу между объемной плотностью и плотностью минеральной фазы . Плотность минеральной фазы зависит только от минерального состава, т.е. от плотности породообразующих минералов. Объемная плотность зависит от плотности твердой фазы и пористости породы, причем всегда меньше _.

Усвоить понятия «открытая», «закрытая» и «общая пористость». Уметь оценивать породы по величине пористости: малопористые, среднепористые, сильнопористые. Обратить внимание на особые свойства сильнопористых пород: они легкие, обладают малой механической прочностью, хорошие теплоизоляторы и хорошие фильтры.

Запомнить характеристики рыхлых и разрушенных пород: насыпная плотность, коэффициент разрыхления, гранулометрический состав, угол естественного откоса. Иметь в виду, что насыпная плотность должна учитываться при многих операциях в процессе разведки и разработки месторождений, в частности, при подъеме, погрузке и транспортировке горной массы.

Контрольные вопросы.

1. На какие группы подразделяются горные породы по величине объемной плотности?

2. По какой формуле определяется общая пористость?

3. В каких пределах изменяется коэффициент разрыхления?

4. Влияет ли пористость на плотность минеральной фазы?

Деформационные свойства.

Уяснить понятия «деформации»: абсолютные и относительные, продольные и поперечные, упругие и пластические. В области упругих деформаций зависимость между напряжениями и деформациями описывается законом Гука:

или ,(1)

где и - абсолютная и относительная деформации; и S₀ - начальная длина и площадь поперечного сечения деформируемого тела; - напряжения, создаваемые внутри тела внешней нагрузкой F; Е - модуль продольной упругости или модуль Юнга.

Характеристиками деформационных свойств являются модуль упругости, модуль сдвига, модуль объемного сжатия, коэффициент Пуассона, коэффициент пластичности и др. Из теории упругости известны соотношения между этими характеристиками:

G = E / 2( l+v) (2)

K = E / 3(l-2v) (3)

v = E-2G / 2G (4)

Обратить внимание, что коэффициент Пуассона - величина безразмерная, которая теоретически изменяется в пределах от 0 до 0,5. Для большинства горных пород он находится в пределах 0,2 - 0,35.

Используя соотношения между упругими характеристиками по двум известным можно вычислить остальные. Чаще всего экспериментально определяют модуль упругости и коэффициент Пуассона. При этом различают два метода измерения - статический и динамический. Полученные при этом значения также носят название статического и динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона. Численно они отличаются незначительно.

При статическом методе измерений нагружение образцов производится на прессе, а деформации - продольные и поперечные - измеряются либо с помощью индикаторов часового типа, либо с помощью тензодатчиков (проволочных датчиков).

Уяснить принцип проведения измерений с помощью тензодатчиков. Основное свойство этих датчиков заключается в том, что их сопротивление изменяется при механическом деформировании. Причем изменяется пропорционально деформации, что и позволяет использовать это явление для измерения деформаций.

Сущность динамического метода состоит в измерении скоростей распространения упругих волн в горных породах и последующем вычислении характеристик по формулам:

- скорость распространения продольной волны в массиве:

(5)

- скорость распространения продольной волны в стержне:

(6)

- скорость распространения поперечной волны:

(7)

Применяется ультразвуковая аппаратура: УКБ-1М, УК-14П, УК-10ПМС, которая позволяет определить время прохождения ультразвукового импульса по образцу известной длины «Обр», помещенному между излучателем «Изл.» и приемником сигналов «Пр.». Зная длину образца и время , вычисляем скорость .

Следует помнить, что существует скорость продольной волны в массиве и скорость в стержне . Условие массива: (8)

Условие стержня: , (9)

где r - половина поперечного размера образца; - длина волны, определяемая из соотношения Ср = f, где f – частота ультразвукового излучаемого импульсного сигнала (характеристика излучателя).

Зная, какую скорость мы получили или , определяем Е_g по формуле (5)

или (6).

Ознакомиться с понятиями «ползучесть», «релаксация напряжений», «длительная прочность», составляющих группу реологических свойств.

Контрольные вопросы.

1. Какие виды деформаций вы знаете?

2. Что такое тензодатчик?

3. Каково соотношение между скоростями продольных и поперечных волн?

4. Определить длину волны, распространяющейся в породе со скоростью 4500 м/с от излучателя с частотой 150 кГц.

5. Что такое ползучесть?

6. Дать определение длительной прочности.

Прочностные свойства.

Уяснить понятие «напряжение» - нагрузка, приходящаяся на единицу площади. Нормальные напряжения действуют перпендикулярно изучаемой площадке или рассматриваемому сечению, тангенциальные действуют в плоскости площадки.

Прочностные свойства пород характеризуются пределами прочности-величиной предельных или критических напряжений, при которых происходит разрушение образцов.

Обратить внимание, что существуют прямые методы испытаний на образцах правильной формы и косвенные методы, основанные на корреляционных связях между различными характеристиками. Испытания на образцах правильной формы дают самые точные и надежные результаты, но требуют больших затрат труда на их изготовление. Поэтому появилось множество косвенных методов с использованием образцов полуправильной и произвольной формы.

Обратить внимание, что характеристики прочностных свойств зависят от размеров образцов, а прочность массива отличается от прочности в куске. На первый взгляд это не очевидно, но подтверждено многочисленными экспериментами.

Как правило, с уменьшением размеров образцов наблюдается увеличение прочности, что объясняется исчезновением макроскопических нарушений и дефектов по мере того, как из крупных кусков мы изготавливаем все более мелкие образцы. Поэтому для получения сопоставимых результатов все методики требуют проведения экспериментов на образцах стандартных форм и размеров.

Переход от показателей, полученных в лаборатории на образцах, к прочностным показателям массива возможен с применением коэффициента структурного ослабления Кс. Этот коэффициент связан с трещиноватостью пород и изменяется в пределах от 0,1 до 1,0.

Уяснить понятия «плоское» и «объемное» напряженное состояние. Запомнить, что при объемном напряженном состоянии прочность пород увеличивается. А чтобы решить вопрос о поведении породы в условиях объемного напряженного состояния, следует воспользоваться теорией прочности. Известно несколько таких теорий, например, теория максимальных напряжений, теория максимальных деформаций, теория касательных напряжений, энергетическая теория.

Для горных пород наиболее подходит теория прочности Мора. Согласно этой теории разрушение породы происходит под действием касательных, сдвиговых напряжений по некоторым плоскостям, где величина этих напряжений достигает критических значений. Величина этих предельных напряжений не постоянна, а является функцией нормальных напряжений, действующих на этой плоскости:

, (10)

где: С - некоторая постоянная для данной породы, называемая сцеплением и равная пределу прочности при чистом сдвиге; f_тр - коэффициент внутреннего трения.

Кроме того, многочисленными экспериментами установлено, что разрушение породы при объемном нагружении происходит при какой-то комбинации максимального и минимального напряжений. Промежуточное среднее напряжение не оказывает при этом заметного влияния. Соотношения между напряжениями и таково, что чем больше минимальное напряжение , тем большее необходимо создать максимальное напряжение , чтобы разрушить породу.

На основе этой теории Мор предложил методику построения паспорта прочности горных пород. Она заключается в следующем: по оси абсцисс (ось ) влево от начала координат откладывают величину экспериментально определенного значения предела прочности на растяжение, а вправо - на сжатие. На этих отрезках, как на диаметрах, проводим полуокружности радиусом и . Затем отбирают еще несколько серий образцов и подвергают их последовательно испытаниям на прочность при объемном нагружении. Для первой серии создают фиксированные напряжения и , а напряжение увеличивают до разрушения образцов. Полученные средние значения и откладывают на оси вправо от начала координат. На отрезке ( - ), как на диаметре, строим полуокружность. Для второй серии создаем минимальное напряжение > , а для третьей . Чтобы в этом случае разрушить образцы, нужно создать максимальное напряжение и . Откладываем полученные значения на оси абсцисс и на отрезках ( ) и ( ), как на диаметре, строим новые полуокружности. Затем проводим касательную ко всем этим полуокружностям. Она носит название огибающей предельных кругов Мора или паспорта прочности горных пород.

Действительно, имея такой паспорт прочности для любой породы, и зная действующие напряжения для какого-либо конкретного случая нагружения породы, можно решить вопрос разрушится порода или выдержит данные напряжения. Для этого рассчитанные напряжения и откладывают по оси нормальных напряжений и на отрезке строят полуокружность. Если она пройдет ниже огибающей, значит порода не разрушится.

При изучении динамических способов испытания горных пород обратить внимание на используемое оборудование: гравитационные, маятниковые и пневматические копры. В основном при этих испытаниях определяется энергоемкость разрушения. Энергия удара рассчитывается по формуле Е = mV²/2, причем скорость соударения следует определять не расчетом (по высоте падения груза), а непосредственным измерением.

Иметь в виду, что динамические испытания проводятся гораздо реже статических, и выполняются научно-исследовательскими и проектными организациями при конструировании машин и разработке новых типов и форм породоразрушающего инструмента.

Контрольные вопросы.

1. Что такое напряжение?

2. Дать определение предела прочности.

3. Описать методику определения предела прочности на сжатие на образцах правильной формы.

4. Определение предела прочности на растяжение бразильским методом.

5. Как объяснить зависимость прочностных показателей от размеров образцов?

6. Методика построения паспорта прочности горных пород.