Влияние геометрии образца на скорость кратковременной релаксации и ползучести сильвинита, карналлита и каменной соли

Геометрические характеристики модели контактной поверхности.

Першин Г.Д., Митин А.Н.

2. Першин Г.Д., Ахметшин А.М., Михайлов А.А. Оценка эффективности процесса поверхностного разрушения природного камня с учётом активно работающих зёрен алмазно-абразивного инструмента// Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2005. С. 233-240.

3. Першин Г.Д., Ахметшин А.М., Павлов А.С. Кинематика процесса резания природного камня алмазно-дисковым инструментом // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2007. С.180-188.

4. Першин Г.Д., Павлов А.С. Энергетический паспорт поверхностного разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2009. С. 217-224.

5. Першин Г Д., Митин А Н. Напряжённо-деформированное состояние контакта алмазно-дискового инструмента с распиливаемой породой // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2011. С. 225-236.

6. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород / А.Ф. Ки-чигин, С.Н. Игнатов, Ю.И. Климов, В.Д. Ярёма. М.: Недра, 1980. 159 с.

7. Першин Г.Д., Садиков Е.В. Технико-экономическме показатели работы алмазно-канатных пил при добыче блочного камня // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2003. Вып. 4. С 45-47.

t----------------------------------------------------------------

References

1. Pershin G.D., Tserman S.I. Methodological basis for calculating rational design element diamond masonry saws // Production, processing and use of natural stone: Sat. scientific. mp. Magnitogorsk, 2010. P. 295-302.

2. Pershin G.D., Akhmetshin A.M., Mikhailov A.A. Assessment of the effectiveness of the process of destruction of the surface of natural stone with the active grains of diamond abrasive tools // extraction, processing and use of natural stone: Sat. scientific. mp. Magnitogorsk, 2005. P. 233-240.

3. Pershin G.D., Akhmetshin A.M., Pavlov A.S. Kinematics of cutting natural stone diamond disk tool // Production, processing and use of natural stone: Sat. scientific. mp. Magnitogorsk, 2007. P. 180-188.

4. Pershin G.D., Pavlov A.S. Energy Passport surface damage natural stone diamond abrasive tools // Production, processing and use of natural stone: Sat. scientific. mp. Magnitogorsk, 2009. P. 217-224.

5. Pershin G.D., Mitin A.N. Stress-state contact diamond disk tool with sawn rock // extraction, processing and use of natural stone: Sat. scientific. mp. Magnitogorsk, 2011. P. 225-236.

6. Diamond tools for breaking hard rock / A.F. Kichigin, S.N. Ignatov, Y.I. Klimov, V.D. Yarema. Moscow, Nedra, 1980. 159 p.

7. Pershin G.D., Sadikov E.V. Techno-ekonomicheskme performance diamond wire saws in the extraction of block stone // Vestnik MGTU named after G.I. Nosov. Vol 4. Magnitogorsk, 2003. P. 45-47.

УДК 622.2

Константинова C.A., Аптуков B.H., Мерзляков А.Ф.

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ОБРАЗЦА НА СКОРОСТЬ КРАТКОВРЕМЕННОЙ РЕЛАКСАЦИИ И ПОЛЗУЧЕСТИ СИЛЬВИНИТА, КАРНАЛЛИТА И КАМЕННОЙ СОЛИ*

Аннотация. Реологические свойства соляных пород изучаются, как правило, при больших временах (дни-месяцы). Представляет интерес анализ их реологического поведения в кратковременном диапазоне (минуты-десятки минут) в связи с построением моделей механического поведения соляных пород при активных нагрузках и небольших временах; интерпретацией стандартных экспериментальных данных (предел прочности на сжатие, предельная деформация, модуль деформации и т.п.), получаемых при постоянной скорости нагружения в течение обозначенного времени. Представлены результаты эксперимента для соляных пород, полученные на универсальной испытательной машине Zwick/Roell-Z250, показано влияние геометрии образца на скорость кратковременной релаксации и ползучести.

Ключевые слова: соляные породы; экспериментальные исследования; кратковременная релаксация и ползучесть; геометрия образца.

Konstantinova S.A., Aptukov V.N., Merzlyakov A.F.

THE SPECIMEN GEOMETRY EFFECT ON THE SHORT-TERM SYLVINITY, CARNALLITE,

ROCK SALT RELAXATION AND CREEP RATE

Abstract. Rheological properties of salt rocks are generally studied within long time (days, months). Salt rock short-term (within minutes or tens of minutes) rheological behavior analysis is of interest being concerned with construction of models of salt rocks mechanical behavior under active loads and within short time; interpretation of standard test data (ultimate compressive strength, ultimate strain, modulus of deformation, etc.), obtained at a constant rate of loading within specified time. Results of the rock salt specimen tests conducted in the Zwick/Roell-Z250 universal testing machine are presented laying special emphasis on the specimen geometry effect on the short-term relaxation and creep rate.

Keywords: salt rocks, experimental studies, short-term relaxation and creep, the specimen geometry.

Эксперименты с использованием сильвинитовых образцов различной геометрии (И / й = 0,5; 1,0; 2,0), отобранных из слоя № 3 пласта Вс на Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей, проводились в режимах релаксации и ползучести. Сначала образцы нагружали до уровня напряжения 10 МПа. Затем, с фиксацией положения траверсы, нагружение прекращали на 20 мин, в течение которых в образце отмечали релаксацию напряжений.

Испытания в режиме ползучести проводили при

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект № 2.1.2/5135).

нагружении образцов сильвинита до уровня напряжения 10 МПа. После фиксации усилия траверсы испытательной машины в течение 20 мин наблюдали рост относительной деформации образца.

Подобные эксперименты с образцами карналлита пласта Вк (И / й = 1,0) слоя №4 проводились в режиме релаксации при уровнях нагрузки 5 МПа. С прекращением перемещения траверсы испытательной машины в течение 20 мин (рис. 1) напряжение в образце упало до 3,1 МПа (на 37,1%).

Испытание образца карналлита в режиме ползучести проводили при нагружении до уровня напряжения 5 МПа. Затем движение траверсы испытатель-

ной машины останавливали на 20 мин (рис. 2). За это время относительная деформация образца возросла от 1,197 до 1,653% (на 38,0%).

Рис. 1. Режим релаксации напряжений в образце карналлита в диапазоне времени от 11 до 31 мин

Испытания образцов каменной соли из геологического междупластья «Красный II - Красный I» (И / й = 1,0; 2,0) проводили при уровне нагрузки 10 МПа для исследования кратковременной ползучести и релаксации.

сделать следующие выводы.

Реологические свойства карналлита отличаются тем, что начальные скорости ползучести и релаксации соответственно в 2-5 и 12 раз ниже известных значений для образцов каменной соли и сильвинита. При этом конечные скорости ползучести и релаксации соответственно в 4,5 и 1,5-2 раза выше показателей для каменной соли и сильвинита. В результате величина деформации ползучести за фиксированный промежуток времени 20 мин для карналлита в 2,3-3 раза выше данного показателя для каменной соли и сильвинита, а величина падения напряжений имеет приблизительно те же значения.

Таблица 2 Кратковременные реологические свойства карналлита

ь/а £ р С0 , с-1 £ р ск , с-1 Агр, % , МПа/с • ^ , МПа/с Аа, МПа

1 1410-6 1,810-6 0,46 12,7-10-3 0,44-10-3 1,86

Рис. 2. Режим ползучести в образце карналлита в диапазоне времени от 12,8 до 32,8 мин

Экспериментальные диаграммы отражали начальную и конечную єр скорости ползучести; дефор-

20 мин Ає р;

мацию ползучести, накопленную за

начальную О"0 и конечную ст* скорости релаксации;

величину релаксации напряжения за 20 мин Дст .

Результаты обработки всех полученных данных представлены в табл. 1-3.

Таблица 1 Кратковременные реологические свойства сильвинита

Сравнение реологических свойств каменной соли и сильвинита показывает немного более высокие скорости ползучести и релаксации сильвинита по сравнению с каменной солью. С увеличением высоты образца в целом падает начальная и конечная скорость ползучести, а скорость релаксации возрастает. При этом уменьшается относительный вклад давления в напряженное состояние образца, т.е. оно приближается к одноосному. Если предположить, что скорость объемной ползучести в основном определяется давлением, а скорость сдвиговой ползучести - девиатором тензора напряжений, то основной вклад в полную деформацию ползучести вносит объемная составляющая.

Таблица 3

Кратковременные реологические свойства каменной соли

ь/а £р Ь0 , с-1 ^, с-1 Аєр, % Сто*, МПа/с • МПа/с Аа, МПа

1 27-10-6 0,40-10-6 0,14 16510-3 0,21-10-3 1,81

2 67-10-6 0,35-10-6 0,22 16810-3 0,27-10-3 2,14

ь/а ер, с-1 гр, с-1 Аєр, % Сто*, МПа/с • МПа/с Дст, МПа

0,5 187-10-6 0,6010-6 0,36 153-10-3 0,28-10-3 1,73

1 74-10-6 0,4010-6 0,20 169-10-3 0,3410-3 2,22

2 57-10-6 0,41 10-6 0,18 18910-3 0,38-10-3 2,50

Анализ экспериментальных данных позволяет

С релаксацией напряжений ситуация обратная. Наибольший вклад в изменение нормальных напряжений вносит релаксация девиаторных компонент, скорость которой естественно возрастает в более высоких образцах.

Полученные результаты объясняют, почему с уменьшением высоты образца снижается измеряемый при разгрузке модуль Юнга. Более значительная деформация ползучести в «коротких» образцах увеличивает наклон кривой, по которой и определяется модуль. Особенно это проявляется в экспериментах с образцами карналлита [3].

Влияние геометрии образца на скорость кратковременной релаксации.

Константинова С.А., Аптуков В.Н., Мерзляков А.Ф.

Время стандартных испытаний образцов при малой скорости перемещения траверсы (V = 0,1 мм/мин) составляет обычно 15-40 мин или более. Поэтому все диаграммы деформирования и механические характеристики соляных пород при этой скорости включают в себя временные эффекты подобно рис. 1, 2.

Некоторые данные испытаний для удобства могут быть представлены в виде скорости релаксации напряжений и скорости ползучести во времени в двойных логарифмических координатах.

На рис. 3 показаны соответствующие зависимости для сильвинита (время в минутах, скорость в 10-3 МПа/с) в образцах различной геометрии. Прямые линейной регрессии описываются следующими уравнениями: Ьп(сг) = 1,64 - 0,90Ьп(ґ) - для И / а = 2; Ьп(сг) = 1,55 - 0,92Ьп(ґ) - для И / а = 1; Ьп(с>) = 1,33 - 0,92!л(0 -

для И / а = 0,5 .

Прямые практически параллельны друг другу, но смещены по вертикали, что указывает на повышение скорости релаксации напряжения с увеличением высоты образца (см. табл. 1).

Временные зависимости скорости ползучести в двойных логарифмических координатах для сильвинита (время в минутах, скорость в 10-6 • 1/с) в образцах различной геометрии приведены на рис. 4.

Зависимость скорости ползучести от времени для образцов различной геометрии

Зависимость скорости релаксации напряжений от времени для образцов различной геометрии

а

>

"с

Рис. 3. Временная зависимость скорости релаксации напряжений в образцах сильвинита (------------И / й = 2;

----------И / й = 1;--------И / й = 0,5)

Рис. 4. Временная зависимость скорости ползучести в образцах сильвинита (----------И / й = 2;----------И / й = 1;

-------И / й = 0,5)

Прямые линейной регрессии описываются следующими уравнениями: Ьп(ё) = 1,16 - 0,66£п(?) -

для И / й = 2; Ьп(е) = 1,26 - 0,64£п(/) - для

И / й = 1; Ьп(е) = 1,70 - 0,66Ьп{1) - для И / й = 0,5.

Прямые практически параллельны друг другу, но смещены по вертикали, что указывает на уменьшение скорости ползучести с увеличением высоты образца (см. табл. 1).

Полученные диаграммы детального поведения образцов различной геометрии в режимах кратковременной ползучести и релаксации могут быть использованы при построении моделей механического поведения соляных пород при кратковременных активных нагрузках (минуты-десятки минут).

Список литературы

1. Проскуряков, Н.М. Физико-механические свойства соляных пород / Н.М. Проскуряков, Р.С. Пермяков, А.К. Черников. Л.: Недра, 1973. 272 с.

2. Барях, А.А. Деформирование соляных пород / А.А. Барях, С.А. Константинова, В.А. Асанов. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. 203 с.

3. Деформирование и разрушение образцов карналлита Первого Соликамского рудника / В.Н. Аптуков, М.В. Гилев, С.А. Константинова, А.Ф. Мерзляков // Маркшейдерия и недропользование. 2009. № 6. С. 61-65.

References

1. Proskuryakov N.M., Permyakov R.S. and Chernikov A.K. (1973). Physico-Mechanical Properties of Salt Rocks. Leningrad, Nedra, 272 p.

2. Baryakh A.A., Konstantinova S.A. and Assanov V.A. (1996). Salt Rock Straining. Ekaterinburg, the Ural Branch of RAS. 203 p.

3. Aptukov V.N., Gilyov M.V., Konstantinova S.A. and Merzlya-kov A.F. (2009). The First Solikamsky Mine Carnallite Specimens Straining and Failure. Mine Surveying and Subsurface Use. № 6. pp. 61-65.