WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Во второй главе приведены необходимые сведения об аппаратуре и методиках проведения исследований, разработанных автором. Разработанная аппаратура и методики проведения исследований позволяют осуществлять широкий комплекс физического моделирования современных геодинамических процессов: режим квазистатического напряженно-деформированного состояния; процессы разработки месторождений полезных ископаемых.

В третьей главе приведены результаты исследований деформирования и разрушения горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния, скорости деформирования (9-десятичных порядков) с учетом температурного фактора, форм и видов влаги в породах. Сформулированы условия упругих и предельных состояний, являющиеся обобщением теории максимальных касательных напряжений и кинетической теории прочности. За предел прочности принято касательное напряжение, где 1, 3 – главные напряжения, МПа ().

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям динамики изменения деформационных и фильтрационно-емкостных параметров пород в условиях сложного напряженного состояния при насыщении. Приведен анализ изменения коэффициента проницаемости и объемной сжимаемости в зависимости от структуры порового пространства и форм влаги в горных породах.

В пятой главе приведен анализ результатов исследований с использованием статистической модели неоднородного тела, учитывающей вид напряженного состояния, скорость деформирования, формы и виды влаги. Эффект снижения прочности с ростом влажности при наличии порового давления связан с толщиной двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении ее с водой.

В шестой главе изложены варианты практического применения результатов исследований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖНИЯ

1. Предельное и неупругое состояние насыщенных горных пород необходимо определять по условиям прочности и упругости, а также закономерностям их изменения, учитывая вид напряженного состояния, формы связи и виды влаги, величину порового давления и скорость деформирования.

Решение поставленных задач потребовало разработки методик, оборудования и устройств для изучения процессов деформирования и разрушения горных пород в лабораторных условиях. Автором разработаны две разновидности фильтрационных установок, прибор для определения структуры пор и пористости, датчик для измерения порового давления. Схема установки для исследования физико-механических свойств горных пород (схема Беккера) представлена на рис. 1. Установка предназначена для изучения физико-механических свойств горных пород и различных материалов в условиях осевого сжатия при различных уровнях давления всестороннего сжатия, меняющегося от 0 до 150 МПа, что обеспечивает получение класса напряженного состояния вида. Установка позволяет исследовать компрессионные, фильтрационные и деформационные свойства пород и материалов при температуре до 250 0С; исследовать проницаемость образцов горных пород как в продольном, так и в поперечном направлениях с одновременной регистрацией поперечных и продольных деформаций.

Рис. 1. Схема установки для исследования физико-механических свойств горных пород (схема Беккера): 1камера высокого давления; 2 домкрат, 3блок распора; 4 – испытуемый образец.

Многочисленные натурные инструментальные наблюдения, лабораторные, а также аналитические оценки напряженного состояния массива горных пород, с учетом его разупрочнения и разрыхления, показывают, что различия в характере поведения горных пород

вблизи выработки обусловлены, с одной стороны, влиянием внешних факторов (скорость нагружения, вид напряженного состояния), с другой формами и видами связи влаги, поровым давлением насыщающих флюидов, структурой пород.

Проведенные исследования позволили установить новые зависимости изменения механических свойств горных пород с учетом влияния вида напряженного состояния, форм и видов влаги в породах при скорости деформирования = 10-4 c-1.

Прочность горных пород зависит от вида напряженного состояния, форм и видов влаги в породах. С ростом влажности при = const прочность породы и угля уменьшается не только при одноосном сжатии (рис. 2), но и при сложном напряженном состоянии (рис. 3, кривые 1-3). С ростом давления всестороннего сжатия 3 прочность пород как в воздушносухом состоянии, так и увлажненных возрастает (рис. 3, кривые 1-3). Максимум снижения прочности горных пород при увлажнении достигается при уровне влажности соответствующем максимальной гигроскопической влажности (рис. 2, точка перегиба кривых 3, 4 соответствует максимальной гигроскопической влажности).

Рис. 2. Зависимость предела прочности пород от влажности при одноосном сжатии (отрыве): 1 – среднезернистый песчаник; 2 – каинитовая порода; 3 – кварцевый песчаник; 4 – горючий сланец.

Прочность горных пород при = const в трехосном напряженном состоянии с ростом порового давления Рп (МПа) снижается (рис.3 линии 3 6, рис. 4).

Рис. 3. Типичная зависимость прочности от влажности и порового давления, создаваемого водой, при сложном напряженном состоянии (кварцевый песчаник): С = 3/1 - интенсивность напряженного состояния; а = Рп/3 –интенсивность порового давления; 1 воздушно-сухие; 2 – при гигроскопической влажности; 3- при полном водонасыщении; 4 – а = 0,5; 5 - а = 0,8; 6 а = 0,95.

Рис. 4. Типичная зависимость прочности от порового давления (каменный уголь, поровое давление создавалось азотом): 1 - 3 = 5 МПа; 2 - 3 = 10 МПа; 3 – 3 = 20 МПа; 4 – 3 = 40 МПа.

Влияние температуры в диапазоне 22150 0С при = const на прочностные характеристики образцов горных пород при естественной влажности проявляется в снижении пределов прочности и упругости как при одноосном, так и при трехосном напряженных состояниях (рис. 5). С ростом давления всестороннего сжатия 3 прочность пород возрастает.

Рис. 5. Типичная зависимость прочности от температуры (известняк).

Результаты исследований механических свойств горных пород в зависимости от форм и видов влаги, вида напряженного состояния при широкой вариации скорости деформирования (рис. 6) показали, что с ростом скорости деформирования пределы прочности и упругости пород как в сухом, так и в увлажненном состоянии возрастают во всем исследованном диапазоне условий.

По мере повышения влажности пределы прочности и упругости снижаются во всем исследованном диапазоне скоростей деформирования и при всех значениях давления всестороннего сжатия. Из распределения экспериментальных точек в поле координат видно, что значения пределов прочности и упругости в диапазоне скоростей от 10-8с-1 до 101 с-1 с высокой достоверностью могут быть аппроксимированы прямыми, представляющими собой пучок лучей, имеющий общий полюс.

Максимальное отклонение экспериментальных точек от проведенных лучей не превышает 10%. Интенсивность увеличения прочности характеризуется углом наклона лучей к оси. При любой = const зависимости пределов прочности аналогичны зависимостям, приведенным на рис. 3 – линии 1, 2, 3 и рис. 4, 5.

Рис. 6. Типичная зависимость пределов прочности п (а) и упругости у (б) от влажности и скорости деформации (кварцевый песчаник).

Условия предельного состояния горных пород в соответствии со статистической теорией прочности при любом виде напряженного состояния и = const могут быть представлены уравнением вида (Ставрогин А.Н., 1970 г.):

, (1)

где 0п - предел прочности при одноосном сжатии, МПа; А - коэффициент, определяемый по паспорту прочности пород в увлажненном состоянии при, или, в случае создания порового давления газом по паспорту прочности образца в воздушно-сухом состоянии в системе координат lg - C, где С = 3/1 интенсивность напряженного состояния (рис. 3 линии 1, 3).

Условия предельных состояний пород и угля с учетом влияния влаги на прочность при одноосном сжатии и = const (рис. 2 линии 1, 2) могут быть представлены уравнениями вида:

малопористые породы (пористость m < 8%) различного минералогического состава:

, (2)

высокопористые породы (пористость m > 8% - кварцевый песчаник, горючий сланец):

, (3)

где 0п прочность на одноосное сжатие образцов в сухом состоянии, МПа; прочность на одноосное сжатие (отрыв) при разной влажности, МПа; G=Wi/Wmax относительная влажность; z коэффициент, определяющий угол наклона линии предела прочности в принятой системе координат; b и d коэффициенты, определяемые из опыта (рис. 2 линии 3,4).

В связи с тем, что линии пределов прочности и упругости пород при разной влажности и разных значениях температуры в условиях сложного напряженного состояния (рис. 4) параллельны между собой, условия предельных состояний при const в общем виде могут быть представлены уравнением вида:

- для пределов прочности:

, (4)

- для пределов упругости:

, (5)

где k коэффициент, определяющий угол наклона экспериментальных зависимостей ; t – температура 0С.

Из анализа экспериментальных зависимостей прочности от вида напряженного состояния и порового давления (рис. 3, 4 каменный уголь – Кузбасс, кварцевый песчаник, песчаник - Чутырское месторождение, песчаник - Рагунская ГЭС, мрамор) следует, что в уравнении (1) коэффициент А является функцией порового давления (рис.7).

Рис.7. Зависимость коэффициента А при экспоненте от интенсивности порового давления а= Рп/3: 1- каменный уголь, 2 - кварцевый песчаник, 3 - песчаник (Рагунская ГЭС), 4 - песчаник (Чутырское месторождение), 5 – мрамор.

Полное условие предельного состояния, учитывающее вид напряженного состояния, влажность, поровое давление насыщающей жидкости при const может быть представлено уравнением:

п (C,G,P,T)= 0пexp[(A-ki ai )C-zG-kt], (6)

где ki – коэффициент, определяющий угол наклона линии изменения коэффициента А в принятой системе координат; ai – текущее значение интенсивности порового давления.

Установлено, что при какомлибо заданном значении давления всестороннего сжатия 3 = const произведение AC и ВС = const, коэффициенты A и B не зависят от влажности и температуры, а зависят от порового давления (рис. 7).

Наличие полюса на графике (рис.7) позволяет прогнозировать прочностные свойства пород в условиях сложного напряженного состояния при разных значениях порового давления и скорости деформирования const путем определения коэффициентов, входящих в уравнение (6) по упрощенной методике.

Таким образом, условие предельных состояний, представленное уравнением (6), можно рассматривать как критерий разрушения пород в зависимости от уровней влажности, величины порового давления и вида напряженного состояния при какой-либо const.

Экспериментальные зависимости прочности и упругости от скорости деформирования, представленные на рис.6, в соответствии с кинетической теорией прочности описываются уравнением:

, (7)

где U0, , - коэффициенты, являющиеся показателями чувствительности отдельных структурных элементов, составляющих горные породы, к изменению внешних условий (скорости деформирования, вида напряженного состояния); k – постоянная Больцмана; Т абсолютная температура, kT = 2463,7 Дж/моль при 200С.

Константа U0 совпадает с энергией термодеструкции в полимерах и энергией сублимации в металлах, а для горных пород с энергией активации процессов диффузии в кристаллической решетке горных пород. Это позволяет утверждать, что процессы сдвигового деформирования в нагруженных породах контролируются и определяются явлением типа диффузии.

Коэффициент является частотной характеристикой микропроцессов деформирования и разрушения. Количественно может быть определен из условия UЭФ = U0 - (рис.8). Для исследованных пород = 10 -9 с-1, что согласуется с данными для метаморфических горных пород (Ставрогин А.Н., 1978 г.). Наличие единого полюса (рис. 6) позволяет сделать вывод о независимости энергии активации (рис. 8) и частотного коэффициента от влажности и величины давления всестороннего сжатия во всем исследованном диапазоне скоростей деформирования.

Предпосылкой для формирования кинетической концепции разрушения послужили не только общетеоретические соображения, а также работы по изучению деформационных свойств (ползучести) и экспериментальные данные о временной и температурной зависимости прочности твердых тел.

Рис. 8. Зависимость энергии активации от скорости деформирования.

На термофлуктуационную природу процесса разрушения указывает пропорциональность долговечности множителю exp, что подтверждается сходством выражения (7) с выражением для среднего времени между двумя последовательными флуктуациями, придающими данному атому кинетическую энергию :

, (8)

где средний период тепловых колебаний атомов в конденсированных телах, при этом принимается, что.

Прямыми исследованиями процессов сопровождающих деформирование и разрушение установлено, что для широкого диапазона напряжений в различных условиях эксперимента долговечность t в зависимости от сжимающего напряжения и температуры Т в координатах остается линейной.

Проведенный анализ экспериментальных исследований влияния размера зерна на прочность двух разновидностей мрамора с размером зерен 0,25 и 0,4 мм и искусственно изготовленных образцов NaCl, образцов горючего сланца и натурных исследований прочности призм горючего сланца, а также анализ условий отбора, включающихся в процесс деформирования зерен, позволяет сделать вывод, что упрочнение горных пород с ростом давления всестороннего сжатия есть случай проявления масштабного эффекта.

Условия предельных состояний как функция вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм и видов влаги апроксимируются уравнениями:

- для пределов прочности:

; (9)

- для пределов упругости:

(10)

Уравнения (9), (10) в координатах ln - C и ln- дают семейство линий, изображенных на рис. 3 и рис.6.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»