книги / Физико-механические свойства горных пород

Горные породы в большинстве случаев весьма неоднородны.. Каждая порода состоит обычно из ряда минералов, обладающих различными механическими (прочностными и пластическими) свойствами. Породообразующие минералы массивных горных по­ род связаны между собой в различной степени. В преобладающем большинстве случаев породы содержат много пор и трещин раз­ личной величины. Не только минеральный состав, но, кроме того, размеры, количество и структура пор и трещин главным образом определяют прочность породы в целом.

Все эти обстоятельства намного осложняют действительный процесс разрушения горных пород в существенно важных аспек­ тах. Физическая картина по сравнению с теоретическими пред­ ставлениями, вытекающими из теории упругости, коренным обра­ зом изменяется.

Общую схему реальных процессов разрушения горных пород, имеющих место в технологических процессах дробления, а также при проведении целого ряда статических и динамических испыта­ ний механических свойств горных пород, можно представить сле­ дующим образом (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Объемный разрыв (/—/) и 'прнконтактное разруше­ ние (//—//) при сжатии образцов горных пород цилиндри­ ческой формы в диаметральном направлении:

горные породы: а и г—известняки; б—глинисты» сланец; в и е— песчаные сланцы; б—пироксеннт; ж н з—песчаники; виды приконтактного разрушения: а, б и в—образование ядер разрушен­ ной и уплотненной породы; г—образование ядер весьма малого размера (почти сплошной отрыв); д, е н ж—сочетание ядер с местными разрывами и сколами; з—зародыши расходящихся

трещин

зг

Рис. 3. Объемный разрыв и местное разрушение в ус­ ловиях раздавли­ вания кусков по­ роды неправиль­

ной формы:

/ —/ —зоны разрыва; 11—/ / —зоны местного разрушения

В процессах свободного разрушения глыб или кусков пород, руд или углей, отделенных от массива, равно как и при разруше­ нии отдельных кусков или обломков, полученных в процессах их переработки, имеет место сосредоточенный характер нагружения. Зто же относится к зернам породообразующих минералов, образо­ вавшихся при измельчении. Во всех случаях нагрузка прилагает­ ся к небольшому участку поверхности. Отсюда сосредоточенное нагружение передается на весь объем разрушаемого тела. Именно так действуют рабочие органы лабораторных приборов при раска­ лывании любых и раздавливании выпуклых образцов неправиль­ ной формы, при испытаниях дробимости кусочков породы, угля или минералов посредством различных приборов. Таков же харак­

тер нагружения обломков пород произволь­ ной формы в условиях промышленного из­ мельчения разнообразными дробильными машинами.

Когда сосредоточенная сжимающая на­ грузка приложена к свободному куску гор­ ной породы, отделенному от массива, или к образцу, подготовленному для механиче­ ских испытаний (обычно с двух противопо­ ложных сторон), возникают местное объ­ емное напряженное состояние и объемные упругие деформации. Дальнейшее повыше­ ние нагрузки ведет в конце концов к объем­ ному разрушению образца, куска породы или минерального зерна в целом.

Однако объемное разрушение всегда сочетается при этом с дополнительным ме­ стным разрушением и местными в зависи­ мости от свойств тех или иных пород псевдопластическими или пластическими дефор­ мациями в контактных зонах.

В области, прилегающей к поверхности контакта, создается на­ пряженное состояние, приближающееся к всестороннему сжатию (первоначальное касание в точке) или к двухосному (при нагру­ жении по линии или по полоске).

Всестороннее или двухосное сжатие вызывает местное разру­ шение, иногда местные псевдопластические или пластические де­ формации, сочетающиеся с местным разрушением. Часто образу­ ются зоны уплотненной раздробленной породы, аналогичные та­ ким же зонам, возникающим при вдавливании в горные породы штампов, шаровых поверхностей, клиньев или резцов. Все эти уп­ лотненные зоны называют иногда ядрами.

Цилиндры, сжатые по образующей, равно как и образцы пород плоскопараллельной формы, сжатые соосными клиньями, разры­ ваются на две части. Куски неправильной формы, будучи сжаты­ ми, разрываются под действием сжимающих сил на два или более

32

кусков сравнительно большого размера. Однако во всех случаях объемное раскалывание—разрыв сочетается с дополнительным местным разрушением в контактных зонах.

Природа деформаций и разрушения, развивающихся в объеме и в контактных зонах, совершенно различна. В области отрыва объем кусков, полученных при разрушении, велик, а вновь образо­ ванная поверхность соответственно мала. В контактных зонах, наоборот, объем раздробленных частиц мал, а степень измельче­ ния и новая поверхность велики.

Энергоемкость разрушения в области контактов неизмеримо больше энергоемкости разрушения в зоне разрыва.

Представить зависимости между работой и дисперсностью про­ дуктов разрушения в двух зонах, где развиваются принципиально различные физические процессы, одним общим (объемным или по­ верхностным) законом невозможно.

Физически обоснованная теория дробления в части, касающей­ ся энергетической стороны процесса, должна быть построена на основе представлений об общей затрате энергии как сумме энерге­ тических затрат на разрушение твердых тел во всем их объеме в условиях разрыва и на местное контактное разрушение в условиях всестороннего сжатия.

Некоторые результаты экспериментальных исследований

В лаборатории Всесоюзного института минерального сырья ав­ тором данной статьи были проведены исследования’ механизма разрушения и прочности отдельных природных минералов (каль­ цита, кварца, корунда), а также искусственных минералов в виде небольших зерен [i2]. При этом выполнены детальные измерения средней дисперсности и гранулометрического состава продуктов разрушения.

В то же время в Институте горного дела им. А. А. Скочинского были проведены исследования механизма разрушения и прочности горных пород в условиях раскалывания—разрыва образцов ци­ линдрической формы посредством сжатия их в диаметральном на­ правлении, а также путем раскалывания плоскопараллельных пла­ стин (посредством клиньев). Было осуществлено также модели­ рование разрушения искусственных образцов тел шарообразной и цилиндрической формы. Для испытаний были подобраны породы, существенно отличавшиеся по прочности и хрупко-пластическим свойствам. Разрушение искусственных шаров и цилиндров посред­ ством сжатия в диаметральном направлении изучалось в образ­ цах из гипса и песчано-цементных смесей с различным содержа­ нием компонентов.

Все эти опыты имели методическое значение. Вместе с тем они показали, что ни теория Кнрпичева—Кика, ни теория Риттингера в отдельности не отражают действительных закономерностей.

3 Зак. 3184

33

и зарубежными физиками почти исключительно с тонкими стеклянным'И и кварцевыми нитями.

Опыты с минералами позволили значительно расширить зарож­ давшиеся в те годы представления о масштабном эффекте и при­ дать обнаруженным явлениям более общее и широкое значение. Наблюдаемое на практике повышение энергоемкости разрушения при тонком измельчении руд, минералов, углей и других твердых тел получило физическое объяснение на основе обнаруженного для минералов в области самых малых размеров сильного проявления главного масштабного эффекта.

Стало очевидным, что закон подобия при изучении механиче­ ских свойств и разрушения горных пород и минералов не имеет и не может иметь места.

Динамический разрыв как основной механизм дробления

Развивая представления, относящиеся к статическому нагру­ жению, можно предложить гипотезу, согласно которой разруше­ ние кусков горной породы неправильной формы, например при ис­ пытаниях дробимости пород или углей методами толчения или при дроблении пород, углей или минералов во вращающихся камерах, равно как и при технологических процессах измельчения в произ­ водственных дробильных машинах, сводится преимущественно к динамическому разрыву. Однако и при ударном приложении на­ грузки динамический разрыв всегда и неизбежно сочетается в раз­ рушением в контактных зонах.

В отличие от статического всестороннего сжатия, возникающе­ го при медленном нагружении, которое в настоящее время систе­ матически изучается, в условиях ударного нагружения в приконтактных зонах, безусловно, создается состояние близкое к дина­ мическому всестороннему сжатию.

Двойственный характер разрушения, непосредственно установ­ ленный в условиях статического нагружения, должен поэтому со­ храниться также при динамическом ударном приложении нагруз­

ки.

Физически обоснованная теория разрушения пород при дробле­ нии должна синтезировать две описанные выше, количественно и качественно различные, но в то же время тесно связанные между собой стороны единого .процесса дробления.

Вы в о д ы

1.При объемном разрушении кусков породы или минералов решающую роль играют напряжения растяжения, возникающие при сосредоточенном приложении нагрузки. Они ведут к разрыву кусков пород и минеральных зерен на две или несколько крупных частей. Однако наряду с разрывом в приконтактных зонах, непо­

средственно испытывающих давление рабочих органов машин или

3* 35

приборов, возникает местное напряженное состояние, .приближаю­ щееся к всестороннему сжатию, что вызывает дополнительные местные пластические или псевдопластические деформации и мест­ ное разрушение породы.

2. Непосредственные измерения продуктов разрушения отдель­ ных зерен минералов (кварца и др.) показали, что под действием усилий сжатия последние разрываются, но при этом, кроме не­ большого числа крупных обломков, образуется большое число (тысячи) мелких и весьма мелких раздробленных частиц. Это сви­ детельствует о том, что продукты разрушения минералов и горных пород состоят из двух существенно разнородных совокупностей зерен, одна из которых образовалась в зоне отрыва, а другая—в зоне местного разрушения.

Наряду с результатами этих измерений впервые было установ­ лено сильное проявление масштабного эффекта при разрушении минералов, особенно в области самых малых размеров.

3. Выдвигается гипотеза, согласно которой одни и те же или аналогичные, отличающиеся только по скорости приложения на­ грузки, физические явления возникают при динамическом разру­ шении пород сосредоточенной нагрузкой, при испытаниях механи­ ческих свойств пород методами статического и динамического дробления, а также при технологических процессах промышленно­ го дробления.

4.Существующие в технологии промышленного дробления представления о четырех механизмах разрушения при дроблении (раздавливание, раскалывание, истирание и удар) не соответст­ вуют действительным физическим явлениям, возникающим при дроблении. Противопоставление удара трем первым видам разру­ шения, кроме того, логически непоследовательно.

5.Двояким характером разрушения горных пород, а именно

образованием крупных обломков с малой вновь образованной по­ верхностью в зонах отрыва и мелких продуктов измельчения, об­ ладающих большой новой поверхностью в контактных зонах, мож­ но объяснить расхождения между объемной теорией дробления Кирпичева—Кика и поверхностной теорией Риттингера.

Новая, единая и физически обоснованная теория дробления должна синтезировать эти две различные и в то же время нераз­ рывно связанные между собой стороны единого процесса разру­ шения.

		ЛИТЕРАТУРА
1. Кирпиче в В. Л. Собрание сочинений. Т. I, II, 1917.
2 . R i t t i n g e r	Р. V.	Lehrbuch der Aufbereitungskunde, Berlin,			1867.
3 . В о n d F. C. The third Theory of Comminution,				„Min. Eng.”, May.		1952
4. Р е б и н д е р	П. А.,	Шр е йне р Л. А., Жи г а ч		К. Ф. Понизители		твер­
дости в бурении. Изд-во АН СССР, 1944.
5. К л а с с е н В. И., П о п о в а			Э. И. К механизму измельчения мелких квар­
цевых зерен в шаровых мельницах			«Докл. АН СССР», т. 85, № 1 ,		1952.

36

6. Т а г г а р т А. Ф. Справочник по обогащению полезных ископаемых. Т. II, Пер. под ред. С. М. Ясюкевича. Металлургиздат, 1950.

7.Большая советская энциклопедия. Т. 15. Изд. 2-е. Изд-во Б. С. Э., 1952.

8.Химическая энциклопедия. Т. II. Госхимиздат, 1958.

9.Л е в е н с о и Л. Б. Машины для обогащения полезных ископаемых. Госгор* техиздат, 1933.

10. А н д р е е в С. Е., З в е р е в и ч В. В., Пе р о в В. А. Дробление, измель­

чение и грохочение полезных ископаемых. Госгортехнздат, 1961.			elaslischen
11. H e r t z	IT. Ober die Verteilung der Druckkrafte	in einem
Kreiszylinder „Zeitschr. fur Mathemat. u. Physik“, B. 28, 1883,		125.	стойкости.
12. К о й tb м а и M. И. Прочность минеральных частиц		высокой
Докл. АН СССР, т. XXIX, вып. 7, 1940.
	Проф., докт. техн. наук М. И. КОPiФМАН
ПРОСТОЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
	В КЕРНАХ РАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ
	Сущность метода
Одной из	наиболее важных величин, характеризующих меха­

нические свойства горных пород, является их прочность на раз­ рыв.

Вследствие сложности и существенных недостатков прямого растяжения, а также и других косвенных способов испытаний на растяжение прочность горных пород различных минералого-пет­ рографических типов на разрыв мало изучена.

В 1937—1941 гг., а затем в 1958—1964 гг. автор настоящей статьи совместно с сотрудниками лаборатории Всесоюзного инсти­ тута минерального сырья и Института горного дела им. А. А. Скочинского работал над созданием и практическим применением не­ скольких простых и доступных методов определения прочности горных пород и минералов на разрыв по принципу многократного и однократного раскалывания, а также и скоростных комплекс’ ных методов с использованием раскалывания [1].

В частности, был предложен и совместно с С. Е. Чирковым при участии О. И. Квашниной и Е. Т. Рамзаевой разработан скорост­ ной метод определения прочности горных пород на разрыв и одно­ осное сжатие [1].

Сочетание предложенного проф. М. М. Протодьяконовым обоб­ щенного уравнения огибающих предельных кругов напряжений Чора [2] с определением механических свойств пород этим спосо5ом явилось новым простым методом получения паспортов прочюсти горных пород [3].

Разработкой и применением метода испытаний пород и углей юсредством сжатия по образующей специально подготовленных 1ля этой цели образцов цилиндров правильной геометрической [юрмы успешно занимались в последние годы в Институте горно- о дела им. А. А. Скочинского [4], а также в других научно-иссле- щвательских институтах СССР и за рубежом.

37

В реальных условиях деформирования и разрушения горных пород закон Гука, как известно, не соблюдается. Нарушается так­ же второе упомянутое требование теории упругости.

Горные породы в большинстве случаев неоднородны, содержат много пустот, пор и трещин. Все это намного изменяет и ослож­ няет картину деформаций и разрушения горных пород при их рас­

калывании.

Практически разрыв цилиндра сочетается в той или иной сте­ пени с местным разрушением и местными пластическими или псевдопластнческими деформациями.

Разрыв цилиндра, сжатого по диаметру, или пластины, сжатой соосными клиньями, начинается большей частью в центральной их

части.

Поскольку явления местного разрушения и местных пластиче­ ских деформаций, вызывающие смятие и образование ядер («клиньев») раздробленной и уплотненной породы, предшествуют во времени раскалыванию—отрыву, нужно полагать, что связи раз­ рушенной или уплотненной породы, образовавшейся в зонах кон­ такта с окружающими их ненарушенными участками породы, в значительной степени нарушаются еще до того, как возникает от­ рыв.

Рассматривая явления раскалывания—разрыва с этой позиции, можно считать, что непосредственный отрыв происходит в средней части раскалываемого цилиндра, т. е. по поверхности отрыва Forp

Fmp = F - 2 h l ,

(2>

где F—общая площадь сечения испытуемого образца;

h —глубина зоны образования ядер или зоны местного разру­ шения;

/ —длина цилиндра или соответственно длина поверхности от­ рыва плоскопараллельного образца горной породы.

В породах, отличающихся по твердости (прочности), а также по пластичности и пористости, глубина зоны образования ядер уп­ лотненной породы /г различна.

Расчеты должны это учитывать.

Для уточнения решений реальной задачи о раскалывании— разрыве горных пород необходимы дальнейшие систематические исследования физических явлений, возникающих при раскалыва­ нии.

Нам представляется, что в соответствии с вышеизложенным правильнее всего относить разрушающие напряжения к действи­ тельной поверхности отрыва [2].

В качестве условной меры прочности можно принять отноше­ ние разрушающего усилия ко всему сечению образца F [3, 4]

Р

40