Способ и прибор для испытания свойств горных пород при трехосном сжатии

Способ и прибор для испытания свойств горных пород при трехосном сжатии

С.Е. Чирков

ННЦ ГП - Институт горного дела им. А.А. Скочинского, Люберцы, 140004, Россия

Описан способ испытаний горных пород в условиях трехосного сжатия с неравными компонентами напряжений, а также прибор для его осуществления. В отличие от ранее предлагаемых способов трехосного сжатия испытываемых образцов, использующих несколько нагружающих устройств (испытательных машин, домкратов), в предлагаемом способе используется только одно сжимающее устройство (пресс), между плитами которого размещается прибор. Он имеет форму шара, разрезанного на две половинки, в каждой из которых имеются трехгранные углубления. В них в окружении пластин, передающих нагрузку, размещается испытываемый образец. Пластины полностью закрывают грани кубического образца и сделаны больше их, но чтобы они не упирались друг в друга, укладываются таким способом, что не мешают деформации образца в направлении его осей. Шар поворачивается в нижней опоре, ориентируя оси образца относительно направления сжатия под определенными углами, которые определяют распределение сжимающих сил. Между верхней опорой пресса размещается упорный шарикоподшипник, позволяющий смещаться верхней половинке шара относительно нижней в направлении суммарной деформации. Методические испытания дали положительные результаты.

A method and device for testing of rock properties in triaxial compression

S.E. Chirkov

NMRC - Skochinskii Institute of Mining, Lyubertsy, 140004, Russia

A method of rock testing in triaxial compression with different stress components and a device for the rock testing are described. Unlike the earlier proposed methods of triaxial compression of test specimens where several loading devices (testing machines, thrusters) are used, the proposed method uses one press with the rock testing device between its plates. The device is a sphere cut in half and each half has recesses in the form of a trihedral prism. The test specimen covered by loading plates is placed between the halves. The plates totally cover the cubic specimen faces; their size is larger than the face sizes, but they do not abut against each other. The plates are placed so that the specimen can be easily deformed in the direction of its axes. The sphere is rotated in the lower base and the specimen axes are oriented at certain angles to the compression direction, which determine the compressive force distribution. Between the upper base and the press a flat-thrust bearing is placed. It enables the upper half of the sphere to be displaced in the total deformation direction relative to the lower half. The results of systematic studies are positive.

Горные породы, залегающие на различной глубине и вскрытые горными выработками, всегда находятся в условиях трехосного напряженного состояния. Разрушение их силами горного давления и различными технологическими способами происходит при достижении предельных значений прочности. Полный объемный паспорт прочности горных пород и других материалов, предложенный академиком РАН Е.И. Шемякиным [1],

является поверхностью пределов прочности при сдвиге от величины нормальных напряжений на площадках сдвига и параметра в напряженного состояния (параметра Надаи-Лоде), характеризующего положение промежуточного главного напряжения относительно минимального и максимального главных напряжений.

Испытывать горные породы и другие материалы при трехосном неравнокомпонентном сжатии при любых

© Чирков С.Е., 2005

значениях вида напряженного состояния (параметра Надаи-Лоде) весьма сложно. Для этого необходимо создание специальных испытательных машин или устройств для серийных прессов. В ГДР Фрайбергской горной академией совместно с Институтом шахтной техники безопасности и заводом Veb Werkstoffprufmaschinen была создана установка ДВ 600/300, в которой сжатие горной породы в виде кубических образцов осуществляется металлическими плитами. Максимальное вертикальное сжатие образца производится 600-тонным прессом, а сжатие по двум другим осям — посредством гидродомкратов с усилиями до 300 тонн, которые смонтированы в массивном металлическом кольце, закрепленном на перемещающейся в пределах пресса каретке на пружинной подвеске. Максимальные размеры образца 200x200x200 мм, минимальные — 50x50x50 мм. При изменении размера образцов предусмотрена замена давильных плит. Давильные плиты при испытании образцов 200 x 200 x 200 мм имеют размер 180 x 180 x 180 мм с тем, чтобы при деформации образца плиты не соприкасались. Аналогичные установки (по схеме нагружения образцов) создавались и в СССР (ИГД им. А.А. Ско-чинского, ВНИМИ, ИПКОН РАН, ИГТМ АН Украины). В таких условиях сжимающие образец нагрузки передаются не через всю площадь грани образца, а только через поверхность его центральной части. Это приводит к возникновению в образце сложной картины напряженного состояния с высокой концентрацией напряжений в образцах у ребер нагружающих плит. Нами были выполнены специальные экспериментальные исследования прочности пяти разновидностей горных пород (антрацита, песчаника, кристаллического сланца, мрамора и габбро) в установке типа Кармана (когда боковые напряжения создаются сжимающей образец жидкостью, а вертикальная максимальная сжимающая нагрузка передается пуансоном сечением не менее размера торца образца, т.е. без концентрации напряжений в образцах у ребер нагружающих плит) и на установке по описанной выше схеме нагружения с концентрацией напряжений в образцах.

Рассмотрение полученных результатов показало, что для всех пород прочность, определенная в установке типа Кармана (без концентрации напряжений вблизи ребер нагружающих плит), значительно больше прочности, определенной в установке трехосного сжатия с нагружением металлическими плитами меньшего, чем образец, размера. Это различие несколько уменьшается, если сжимающие образец нагрузки при оценке напряжений делятся не на сечение испытываемых образцов, а на площадь нагружающих плит. Таким образом, испытания образцов горных пород даже на таких громоздких и сложных установках не позволяют получить достоверных результатов о прочностных и деформационных

характеристиках горного массива в условиях различного напряженного состояния.

Был предложен новый способ испытаний и установка, которые позволяли передавать нагрузки через всю поверхность граней испытываемых образцов [2]. Несмотря на большие преимущества этой установки по сравнению с ранее предложенными измерение деформаций в ней осуществить довольно сложно, а после достижения предела прочности практически невозможно. Деформирование горных пород массива после достижения предела прочности и его остаточная прочность являются важнейшими механическими характеристиками, необходимыми при решении многих задач устойчивости горных выработок и оценке параметров процессов разрушения при добыче полезных ископаемых [3]. Такие характеристики горных пород можно было получить без концентрации напряжений у ребер испытываемых образцов на уникальной установке, созданной в ДонФТИ АН Украины [4]. Но это весьма сложная установка с тремя независимыми приводами и создание ее требует больших затрат средств и времени.

Высокая трудоемкость испытаний горных пород в условиях трехосного сжатия не позволила до настоящего времени накопить представительные данные о прочности и о так называемом «запредельном» деформировании и остаточной прочности горных пород в этих условиях. Поэтому в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинс-кого под руководством академика Е.И. Шемякина разработаны более простые способ и прибор для трехосного неравнокомпонентного деформирования и разрушения образцов горных пород с определением предельной и остаточной прочностей при любых значениях параметра вида напряженного состояния. При этом используется одна испытательная машина (рис. 1).

Сущность новых способа нагружения и прибора заключается в следующем:

1. Образец горной породы кубической (или призматической) формы, покрытый клеем, помещается между пластинами большего, чем грани образца, размерами. Образец и пластины покрываются графитовой смазкой.

2. Изготавливается металлический (или из других прочных материалов) шар, в центре которого имеется пустота кубической формы с размерами ребра на 2-3 мм меньше (на величину ожидаемых деформаций) длины ребра кубического образца горной породы и двойной толщины передающих нагрузку пластин.

3. Шар разрезается на две части по трем взаимно перпендикулярным плоскостям так, чтобы в каждой половинке шара остались трехгранные углубления.

4. Одна половинка шара укладывается на нижнюю опору, имеющую шаровое углубление с радиусом шара.

5. В трехгранное углубление шара помещается испытываемый образец горной породы с пластинами, кото-

Рис. 1. Прибор для испытания горных пород в условиях трехосного сжатия: 1, 4 — нижняя и верхняя опоры; 2, 3 — нижняя и верхняя половинки шара; 5 — упорный шарикоподшипник; 6 — индикатор часового типа

рые укладываются так, что при деформировании образца они сдвигают друг друга в образующиеся пазы, не мешая деформации образца.

6. На образец с пластинами помещается вторая половинка шара. При этом зазор между половинками шара должен быть не меньше заданной величины максимальной деформации.

7. Шар в сборе поворачивается в своем основании таким образом, чтобы при осевой нагрузке усилие испытательной машины распределялось по осям образца с заданным параметром вида напряженного состояния, определяемого по величинам наклона осей образца относительно направления сжимающей силы пресса.

8. На шар сверху накладывается вторая опора, аналогичная нижней. Между ней и плитой пресса размещается упорный шариковый подшипник, который позволяет смещаться одной половинке шара относительно другой при деформировании образца (рис. 2).

Изменяя толщину пластин, окружающих образец, можно изменять размеры испытываемых образцов и, тем самым, на имеющемся прессе выполнить испытания пород различной прочности.

Необычность нового способа и конструкции прибора требовала его испытания на возможность:

- создания в испытываемых образцах трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния;

- доведения образцов до разрушения или пластического запредельного деформирования;

- оценки остаточной прочности при заданной деформации запредельного деформирования.

Методические испытания способа и прибора были проведены на образцах гипса, меломергеля, бетона, известняка, доломита и филлита. В процессе нагружения индикаторами часового типа измерялись дефор-

мации образцов в направлении создаваемых главных напряжений (осей образцов). Результаты этих испытаний показали, что деформации по направлениям осей главных напряжений в процессе упругого, пластического и псевдо-пластического деформирования испытываемых образцов до и за пределом прочности в направлениях осей образца соответствуют заданным напряжениям:

- максимум деформации сжатия наблюдается в направлении максимального сжимающего напряжения;

- максимум растягивающих деформаций — в направлении минимального сжатия;

- незначительные деформации — в направлении промежуточного сжимающего напряжения.

Полученные результаты подтвердили также, что предложенные способ и созданный прибор позволяют осуществлять трехосное нагружение испытываемых образцов и изучать их деформирование до и за пределом прочности, а также оценивать величину остаточной прочности при заданных напряженном состоянии и величине запредельной деформации.

Рис. 2. Схема испытательной машины: F — сжимающее усилие; 1, 9 — плиты пресса; 2 — упорный шарикоподшипник; 3, 8 — верхняя и нижняя опоры; 4, 7 — верхняя и нижняя половинки шара; 5 — пластины, передающие нагрузку на образец; 7 — нагружаемый образец

В созданном новом приборе образцы горных пород можно довести до разрушения. При этом стабильно наблюдается образование породных клиньев при неравнокомпонентном сжатии и конуса при нагружении по схеме Кармана (параметр Надаи-Лоде равен -1). При малых значениях минимального главного напряжения некоторые образцы разрушались по трещинам, параллельным направлениям главного и промежуточного сжимающих напряжений. Именно такая форма разрушения испытываемых образцов и наблюдается при трехосных испытаниях горных пород.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02-05-64063а).

Литература

1. Шемякин Е.И. Две задачи механики горных пород, связанных с разработкой глубоких месторождений угля и руды // ФТПРПИ. -1975. - № 6. - С. 29-4.

2. А.С. 279534 / С.Е. Чирков. Способ испытаний горных пород. -Опубл. в Бюлл. «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1970, № 27.

3. Шемякин Е.И. Деформации и разрушение горных пород (о кольцевой прочности) // Техника и технология разработки угольных месторождений. - Люберцы: ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. -Вып. 322-М. - С. 83-94.

4. Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Разрушение горных пород

в объемном поле сжимающих напряжений. - Киев: Наукова думка, 1989. - 168 с.