6.5. Определение контактной прочности пород

И спытания проводятся согласно ГОСТ Р50834-95 «Породы горные. Метод определения контактной прочности». Сущность метода заключается в передаче усилия на поверхность испытуемого образца или поверхности обнажения горной выработки через цилиндрические инденторы, которые имеют плоское основание. В момент хрупкого выкола породы фиксируется значение этого усилия. Выкол породы считается хрупким, если в момент его образования передаваемое усилие падает не менее чем на 40% от своего максимального значения. Метод пригоден для испытания полускальных и скальных пород.

Схема испытаний на контактную прочность представлена на рис. 6.22. В отличие от метода испытаний соосными плоскими пуансонами на определение предела прочности при сжатии в данном методе необходимо исключить разрушение образца. Это возможно, если размер рабочей части пуансона много меньше линейных размеров испытуемого образца. Поэтому диаметр пуансонов при определении контактной прочности составляет 1 и 3 мм, а размер испытуемого образца породы в виде штуфа должен быть не менее 707070 мм³ или керна диаметром 50…130 мм – не менее 70 мм по высоте. Величина контактной прочности определяется по формуле

или (6.27)  МПа,

где и - средние значения усилий, при которых происходит выкол породы на разных участках поверхности образца при испытании инденторами большего и малого диаметра соответственно; и - площади оснований соответствующих инденторов.

Относительная погрешность определения контактной прочности не превышает 20%.

Классификация пород по контактной прочности дана в табл. 6.2.

Таблица 2

Классификация горных пород по контактной прочности (по Л.И. Барону и Л.Б. Глатману)

Класс породы по контактной прочности	Показатель контактной прочности, МПа	Характеристика
I	<300	Слабые
II	300…400
III	400…500	Ниже средней крепости
IV	500…650
V	650…900	Средней крепости
VI	900…1250
VII	1250…1750	Крепкие
VIII	1750…2450
IX	2450…3400	Очень крепкие
X	3400…4500
XI	4500…5600	Крепчайшие
XII	>5600

6.6. Замечания относительно методов определения пределов прочности пород

Разрушения образцов в результате испытаний прямыми методами имеют характерные особенности в зависимости от типа породы: хрупкой или пластичной, а также от вида разрушающего усилия: растяжения или сжатия (рис. 6.23).

Разрушение хрупких пород при растяжении происходит путем отрыва по поверхности, практически перпендикулярной направлению усилия (рис. 6.23а). У пластичных пород перед разрушением образуется шейка, а поверхность отрыва составляет острый угол относительно направления усилия.

При одноосном сжатии ситуация усложняется, так как на границе образец – стальная плита из-за различия коэффициентов Пуассона образца породы и материала плиты (коэффициент Пуассона стали - 0,28…0,31), а также из-за различия модулей продольной упругости возникает сила трения, препятствующая свободной поперечной деформации образца. Величина силы трения может быть снижена путем введения смазки между породой и плитой.

П ри отсутствии смазки на границе плита – образец форма поверхности разрушения для хрупких пород определяется действием встречных конусов (рис. 6.23б), которые остроконечной частью внедряются в среднюю часть породы как клин и вызывают ее раскол вдоль направления сжимающего напряжения. При этом отношение высоты к диаметру (стороне квадрата) образца - так же оказывает влияние на форму поверхности разрушения. Для малых значений параметра - конусы как бы внедряются друг в друга (рис. 6.23в).

Если между хрупкой породой и плитой пресса имеется смазка (тонкая свинцовая пластинка, тефлоновая прокладка, графитовая смазка), то разрушение характеризуется наличием продольных разрывов (рис. 6.23г). При этом оказывается, что предел прочности при одноосном сжатии для одной и той же породы при использовании смазки ниже, чем в случае проведения испытаний без смазки. Одна из возможных причин этого явления может быть сформулирована следующим образом. При отсутствии смазки за счет возникновения стесненных условий на границе плита – образец происходит формирование и конуса и последующего продольного разрыва, при наличии смазки – только продольного разрыва, т.е. облегчаются условия разрушения образца. Заметим, что похожая ситуация имела место при анализе модулей одностороннего сжатия - и Юнга - (глава 5).

Наиболее вероятной причиной разрушения образцов при одноосном сжатии с применением смазки и образованием поверхностей разрушения в виде продольных разрывов следует считать неоднородность, так как в результате поперечного расширения хрупких пород даже небольшая вариация коэффициента Пуассона по продольным сечениям может привести к возникновению предельных растягивающих напряжений.

По всей видимости, многообразие форм поверхностей разрушения образцов без применения смазки в зависимости от параметра - нашло свое отражение в некоторой противоречивости определения предела прочности при одноосном сжатии по ГОСТ 21153.2 -84 и ГОСТ 30629-99. Кроме того, в цитируемых стандартах за величину площади - в формуле (6.25), по которой действует разрушающее усилие, принята площадь поперечного сечения образца. Хотя поверхность разрушения заметно отличается от поперечного сечения.

Для пластичных пород наблюдается бочкообразная деформация и множественное развитие трещин с преимущественной ориентацией (рис. 6.23д). В случае трехосного сжатия, как правило, разрушение происходит в результате сдвига по поверхности под углом меньшим 45⁰ к направлению усилия (рис. 6.23е). Та же ситуация имеет место для пластичных пород при испытании на одноосное сжатие.

Анализ форм разрушения позволяет предсказать разрушение слоистых пород. Плоскости напластования являются одновременно и плоскостями ослабления. Поэтому предел прочности при растяжении, определенный при растягивающем усилии, направленном перпендикулярно слоистости будет меньше предела прочности при растяжении – параллельно слоистости. Для предела прочности при одноосном сжатии наблюдается обратная ситуация.

Если вышеизложенное описать с помощью коэффициента анизотропии, то для предела прочности при растяжении - , для предела прочности при сжатии - . Следует отметить, что для слоистых пород, если возможно, должны по отдельности определяться пределы прочности вдоль и поперек слоистости. Например, для песчано-глинистых сланцев значения - и могут достигать 2.

Из рассмотренных методов разрушения горных пород большим разнообразием отличаются методы определения предела прочности при растяжении. Это не случайно. Простой анализ табл. 6.1 показывает, что предел прочности при растяжении, по крайней мере, на порядок меньше предела прочности при сжатии, т.е. измерения предела прочности при растяжении позволяют использовать малогабаритные установки и, следовательно, более эффективно проводить испытания.

Вследствие многообразия методов разрушения результаты определения пределов прочности для образцов из одних и тех же пород различаются. Причем различие может составлять десятки и даже сотни процентов. Поэтому прочностная характеристика обязательно должна содержать указание на метод определения и ссылку на нормативный документ.

Например, даже при прямом методе определения предела прочности при одноосном сжатии для образца с -  = 1 результат, полученный по ГОСТ 30629-99 будет больше в 1,25 раза по величине, чем то же самое по ГОСТ 21153.2-84. В связи с этим, надо заметить, что табл. 6.1 относится исключительно к методу испытаний по ГОСТ 24941-81.

Поскольку относительная погрешность определения пределов прочности косвенными методами по сравнению с прямыми методами существенно выше, то это обстоятельство позволяет говорить о точности измерений «по порядку величины». Однако при применении косвенных методов не требуется тщательная подготовка образцов. В то же время результаты, полученные прямыми методами, позволяют осуществить привязку к пределу прочности, если в пределах одного месторождения проводятся исследования прочностных свойств косвенными методами.

Для пород, которые обладают выраженными реологическими свойствами, измеряется длительная прочность. Длительная прочность представляет собой функциональную связь величины нагрузки и времени, отсчитываемого от момента приложения постоянной нагрузки к образцу породы до момента его разрушения. Величина нагрузки, которая вызывает практически мгновенное разрушение породы, называется стандартной прочностью (условно-мгновенной прочностью).

Графически длительная прочность изображается в виде зависимости разрушающих напряжений от времени (рис. 6.24). Длительная прочность стремится к предельному значению напряжений, которое называется пределом длительной прочности. Согласно ГОСТ 26447-85 предел длительной прочности определяется как величина напряжения, вызывающая продольную деформацию породы в течение суток менее 0,1%.

Е ще одно замечание относительно определения пределов прочности касается влажности испытуемых образцов. Дело в том, что с увеличением влажности образцов происходит снижение их прочности. С механической точки зрения вода исполняет роль своеобразной смазки, снижая внутреннее трение породы. Кроме того, вода как среда с высоким значением диэлектрической проницаемости ослабляет силы электрического взаимодействия составляющих компонент горной породы. Например, при увеличении влажности от воздушно-сухого состояния до состояния полного влагонасыщения механическая прочность крепких магматических пород (базальтов, гранитов, порфиров) снижается на 5…20%, для полускальных пород снижение может быть еще более значительным.

Для горных пород, использование которых сопряжено с условиями воздействия влаги, вводится параметр, характеризующий снижение прочности породы при сжатии в водонасыщенном состоянии. Согласно ГОСТ 30629-99 величина этого параметра определяется по формуле

, (6.28)

где - предел прочности, определенный для воздушно-сухого образца, - то же для образца в водонасыщенном состоянии.

Водонасыщение образцов производится путем выдержки их в воде в течение определенного времени. По ГОСТ 30629-99 это время составляет 48 ч.

Для всех рассмотренных методов определения пределов прочности в настоящей главе скорость нагружения образца такова, что разрушающее усилие создается за единицы – первые десятки секунд. При этом величина максимальной продольной относительной деформации для скальных пород не превышает 0,005.