Материал: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf
Р
АЗДЕЛ
2
30
2.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ
РАЗРУШЕНИЯ
ГОРНЫХ
ПОРОД
ЗА
ПРЕДЕЛОМ
ПРОЧНОСТИ
Как
было
показано
выше
,
на
феноменологическом
уровне
полагается
,
что
разрушение
твердого
тела
произойдет
в
том
случае
,
если
компоненты
тензора
напряжений
в
локальной
точке
исследуемой
области
достигнут
определенных
предельных
значений
.
Критическое
поле
напряжений
в
горных
породах
,
окру
-
жающих
выработку
,
возникает
в
результате
некоторого
внешнего
силового
воз
-
действия
на
объект
.
Это
воздействие
может
быть
осуществлено
двумя
путями
.
Первый
,
традиционный
,
путь
состоит
в
том
,
что
напряжения
формируются
в
режиме
заданных
нагрузок
.
Измеряя
соответствующие
нагрузкам
деформа
-
ции
,
для
случая
одноосного
нагружения
получают
известный
график
деформи
-
рования
(
рис
. 2.1,
а
),
обрывающийся
в
точке
,
соответствующей
пределу
прочно
-
сти
материала
.
Так
нагружаются
,
например
,
породы
кровли
при
движении
ла
-
вы
.
При
этом
пролет
зависающей
кровли
изменяется
от
некоторого
минималь
-
ного
значения
до
максимального
.
Рис
. 2.1.
Графики
деформирования
горных
пород
:
а
)
деформирование
в
режиме
заданных
нагрузок
;
б
)
деформирование
в
режиме
заданных
деформаций
З
АКОНОМЕРНОСТИ
РАЗРУШЕНИЯ
ГОРНЫХ
ПОРОД
ЗА
ПРЕДЕЛОМ
ПРОЧНОСТИ
31
Особенность
второго
подхода
состоит
в
том
,
что
напряженное
состояние
объекта
создают
путем
«
жестко
»
заданной
деформации
.
С
помощью
специаль
-
ных
датчиков
регистрируют
соответствующую
деформации
нагрузку
и
полу
-
чают
график
деформирования
материала
,
имеющий
ниспадающую
ветвь
(
рис
. 2.1,
б
).
Разрушение
материалов
в
режиме
заданных
деформаций
получило
название
деформирования
за
пределом
прочности
,
или
контролируемого
раз
-
рушения
.
Таким
образом
нагружаются
предохранительные
целики
,
приконтур
-
ный
породный
массив
вокруг
протяженных
выработок
.
2.1.
Особенности
разрушения
горных
пород
за
пределом
прочности
Целенаправленные
исследования
деформирования
различных
материалов
за
пределом
прочности
были
начаты
в
30-
е
годы
[99],
хотя
впервые
,
пожалуй
,
типичные
графики
с
ниспадающей
ветвью
были
получены
в
известных
опытах
Кармана
с
каррарским
мрамором
[100, 101].
Винтовой
пресс
,
которым
он
поль
-
зовался
,
обладал
достаточной
жесткостью
по
отношению
к
слабому
испыты
-
ваемому
материалу
–
мрамору
.
В
1960
г
.
появилась
работа
Л
.
Фридмана
,
в
ко
-
торой
исследовалась
жесткость
нагружающей
системы
по
отношению
к
жест
-
кости
деформируемого
образца
.
В
1964
г
.
П
.
Барнард
на
специально
сконструи
-
рованном
прессе
повышенной
жесткости
провел
испытания
бетонных
образцов
и
установил
наличие
ниспадающей
ветви
на
графике
деформирования
при
од
-
ноосном
сжатии
.
В
1965
г
.
Ф
.
Дейст
и
Н
.
Гук
на
примере
горных
пород
теоре
-
тически
описали
механизм
деформирования
за
пределом
прочности
,
а
Ф
.
Дейст
сделал
попытку
учесть
его
особенности
при
исследовании
напряженно
-
деформированного
состояния
породного
массива
в
окрестности
горной
выра
-
ботки
.
Отмеченные
выше
работы
положили
начало
интенсивному
изучению
по
-
ведения
горных
пород
и
иных
материалов
в
процессе
контролируемого
разру
-
шения
.
Большой
вклад
в
изучение
этого
вопроса
внесли
такие
отечественные
и
зарубежные
ученые
,
как
В
.
Т
.
Глушко
и
В
.
В
.
Виноградов
[84],
Г
.
Т
.
Кирничанский
[5],
Н
.
И
.
Немчин
[102],
Б
.
З
.
Амусин
,
К
.
А
.
Ардашев
,
Р
АЗДЕЛ
2
32
В
.
Ф
.
Кошелев
,
Л
.
И
.
Линьков
[103, 104],
И
.
В
.
Баклашов
и
Б
.
А
.
Картозия
[83],
А
.
Н
.
Ставрогин
и
А
.
Г
.
Протосеня
[4],
Е
.
И
.
Шемякин
и
А
.
Ф
.
Ревуженко
[105, 106],
Д
.
Хоббос
,
З
.
Бенявский
,
Б
.
Бреди
,
К
.
Файерхурст
,
Н
.
Гук
и
многие
другие
.
Получение
запредельных
характеристик
горных
пород
требует
наличия
испытательных
машин
повышенной
жесткости
.
Принципы
создания
таких
ма
-
шин
достаточно
подробно
изложены
в
работах
[4, 82].
Для
увеличения
жестко
-
сти
серийно
выпускаемых
прессовых
установок
используют
различные
приспо
-
собления
,
например
,
параллельно
испытываемому
образцу
устанавливают
стальные
брусья
[107],
слоистые
опоры
,
набранные
из
чередующихся
каленых
стальных
дисков
и
дисков
из
оргсеткла
[84];
испытуемый
образец
помещают
под
стальную
балку
и
деформируют
их
совместно
[108];
параллельно
образцу
располагают
предварительно
нагретые
колонны
,
которые
в
процессе
остывания
осуществляют
«
жесткое
»
деформирование
[109, 110];
применяют
специальные
клиновые
механические
устройства
[4];
создают
предварительный
распор
на
-
гружающей
системы
дополнительными
гидродомкратами
[84, 5].
Для
испытаний
горных
пород
за
пределом
прочности
в
той
или
иной
мере
пригодны
все
перечисленные
выше
способы
,
однако
наиболее
удобным
являет
-
ся
использование
дополнительных
гидродомкратов
,
включенных
параллельно
испытываемому
образцу
.
По
этому
принципу
создана
жесткая
испытательная
установка
конструкции
ИГТМ
им
.
Н
.
С
.
Полякова
.
В
качестве
базового
нагру
-
жающего
устройства
используются
гидравлический
пресс
ПСУ
-500.
Предвари
-
тельный
распор
с
усилием
50-100
тонн
создается
двумя
гидродомкратами
,
под
-
ключенными
к
автономной
насосной
станции
НСВД
-2500.
Жесткость
испыта
-
тельной
машины
достигает
3,79*10
9
Н
/
м
.
Информация
о
нагрузке
и
деформаци
-
ях
–
вертикальных
и
горизонтальных
–
записывается
непрерывно
с
помощью
специальной
регистрирующей
аппаратуры
,
подробное
описание
которой
име
-
ется
в
работах
[84, 5].
Для
установления
закономерностей
деформирования
осадочных
горных
пород
за
пределом
прочности
были
испытаны
аргиллиты
,
алевролиты
,
камен
-
З
АКОНОМЕРНОСТИ
РАЗРУШЕНИЯ
ГОРНЫХ
ПОРОД
ЗА
ПРЕДЕЛОМ
ПРОЧНОСТИ
33
ная
соль
и
известняки
Крыма
.
Для
последующего
анализа
,
кроме
того
,
привле
-
кались
результаты
исследований
В
.
Т
.
Глушко
и
В
.
В
.
Виноградова
[84],
Г
.
Т
.
Кирничанского
[5],
В
.
С
.
Лесникова
[111],
Н
.
А
.
Ставрогина
[
4
]
и
др
.
Нагружение
образцов
и
обработка
результатов
испытаний
проводились
в
соответствии
с
существующими
методиками
[112, 113].
Образцы
подвергались
ступенчатому
нагружению
в
режиме
«
нагрузка
-
разгрузка
».
Интервал
между
повышением
и
уменьшением
нагрузки
составлял
5-10
с
.
Скорость
нагружения
при
нагрузке
и
разгрузке
оставалась
постоянной
.
Характерные
графики
запредельного
деформирования
испытанных
лито
-
логический
разностей
–
аргиллитов
,
алевролитов
,
известняков
,
каменной
соли
и
глины
зеленой
–
показаны
соответственно
на
рис
. 2.2-2.6.
Как
следует
из
представленных
графиков
,
при
нагружении
породных
об
-
разцов
от
нуля
и
до
полного
разрушения
отчетливо
выделяются
две
стадии
:
А
-
допредельного
,
и
В
–
запредельного
деформирования
(
рис
. 2.7).
Стадия
допре
-
дельного
деформирования
не
имеет
особенностей
по
сравнению
с
обычным
способом
испытаний
.
Здесь
Г
.
Т
.
Кирничанский
[5]
выделяет
четыре
характер
-
ные
области
: I –
закрытие
пор
и
трещин
,
притирка
граней
образца
к
плитам
пресса
; II –
упругое
деформирование
при
сохранении
постоянства
модуля
Юнга
и
коэффициента
Пуассона
; III –
увеличение
коэффициента
Пуассона
,
микрорас
-
трескивание
образца
; IV –
коэффициент
Пуассона
примерно
равен
0,5,
активное
ветвление
и
слияние
микротрещин
.
Существенный
интерес
представляет
изучение
стадии
запредельного
де
-
формирования
.
Разрушение
на
этом
уровне
характеризуется
,
прежде
всего
,
тем
,
что
коэффициент
бокового
расширения
становится
больше
0,5
и
при
этом
про
-
исходит
увеличение
объема
деформируемого
тела
(
дилатансия
).
Явление
дила
-
тансии
впервые
наблюдалось
и
было
исследовано
Бриджменом
[60].
Увеличение
объема
деформируемых
образцов
горных
пород
происходит
вплоть
до
полной
их
дезинтеграции
и
достигает
10-15 %.
На
стадии
запредельного
деформирования
можно
выделить
три
характер
-
ные
области
: V –
пластического
течения
, VI –
разупрочнения
и
разрыхления
материала
и
VII –
эквиволюмиального
течения
.
Р
АЗДЕЛ
2
34
Рис
. 2.2.
Графики
деформирования
аргиллита
Рис
. 2.3.
Графики
деформирования
алевролита