Файл: Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие].pdf

Установлено, что от пористости горных пород зависит их влажность,влагоемкость и водопроницаемость.

Влажностью горных пород называют количество воды, нахо­ дящейся в их порах, трещинах и других полостях. Влажность выражается п процентах но весу.

Влагоемкость — это свойство горной породы впитывать и удерживать определенные порции воды. Интенсивность впиты­

вания зависит от количества пустот в породе, формы и разме­ ров пор и мелких трещин. Влагоемкость определяется по коли­ честву оставшейся воды после свободного стенания ее избытка с образца и выражается в процентах по весу или объему.

Водопроницаемость — это способность породы пропускать воду. Степень водопроницаемости характеризуется коэффициен­ том фильтрации К.

(9.2)

где / — —- — гидравлический уклон;

Hi—Нг — потеря напора;

/— длина пути фильтрации.

При / — 1, V = К. т.е. коэффициент фильтрации имеет раз мерность скорости движения воды в данной горной породе. Вс личина коэффициента фильтрации выражается в м/сутки или см'суткп, а иногда в м/год или см/год.

Значения коэффициентов фильтрации для некоторых сыпу­ чих пород приведены в табл. 3.

34

§ 3. Упругость, пластичность, хрупкость горных пород

Упругость горной породы позволяет судить об обратимой связи между упругими деформациями и напряжениями и хара ктеризовать на этой основе жесткость горной породы, т. е. со способность сопротивляться физическим воздействиям при де­ формировании (рис. 15а).

Рис. 15. Характерные виды деформаций Торных пород

а—диаграмма упругих деформаций; б—график, характеризующий пластичность горных пород; в — график, характеризующий хрупкость горных пород

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости Е при одноосном напряженном состоянии, модулем сдвига G, модулем объемной упругости К и коэффициентом по­ перечных деформаций р (коэффициентом Пуассона).

Модуль упругости Е представляет собой отношение величи­ ны нормального напряжения а к величине относительной де­

формации образца Д/// в направлении действия приложенной нагрузки:

36

а

( 10.2)

Модуль сдвига G представляет собой отношение величины касательного напряжения т к относительному сдвигу 0:

сжатия, равен отношению величины равномерного всесторон­ него напряжения а 0 к относительному изменению объема образ­ ца:

где AV/V — отйоситсльное изменение объема.

Коэффициент поперечных деформаций (или коэффициент Пуассона) является мерой пропорциональности между относи­ тельными деформациями в направлении, перпендикулярном к вектору приложений нагрузки и параллельно ему

Ad/d

(13.2)

й=== Д//7

Модуль упругости Е, модуль сдвига G, объемный модуль упругости К0 п коэффициент Пуассона р связаны между собой следующими соотношениями:

Таким образом, зная две любые из перечисленных выше ха­ рактеристик упругости, можно расчетным путем определить значения двух других.

Пластичностью принято называть способность горных пород приобретать под влиянием силового воздействия остаточные де-

36

формации (рис. 156). Пластичности обычно противопоставляет­ ся понятие хрупкости, т.о. способность горных пород при воз­ действии сил разрушаться без заметных деформаций (рис. 15в).

Те или иные свойства горных пород в значительной мере связаны с условиями нагружения. Так, например, при мгновен­ ной нагрузке горные породы (песчаники,роговики и др.) разру­ шаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместо с тем эти же породы при постепенном нагру­ жении ведут себя как упругие тела, т.е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них появляются остаточные деформации, т.е. породы проявля­ ют пластичность.

Степень хрупкости или пластичности горных пород оцени­ вается коэффициентом пластичности (хрупкости), равным от­ ношению общей работы деформации до разрушения к работе упругой деформации

(16.2)

Очевидно, хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом К== 1.

Проявление свойств пластичности при нагружении характе­ ризуется увеличением К.

Есть и другой критерий оценки хрупкости — отношение пре­ дела прочности породы на сжатие к пределу прочности на рас­ тяжение.

§4. Сцепление и угол внутреннего трения горных пород

Сцепление определяет сопротивляемость горных пород тан­ генциальным нагрузкам

где Т — величина общей тангенциальной нагрузки; F — площадь действия приложенной нагрузки.

Угол внутреннего трения характеризует всякое сопротивле­ ние пластическому течению в образце породы при превышении в процессе нагружения пределов упругости. Иначе говоря, этот угол определяет внутреннее трение между частицами породы,

37

образующими Соответствующие плоскости скольжений. Величи­ на угла внутреннего трении выражается формулой

где (1т—тангенциальные напряжения и плоскости скольжения; do—нормальные напряжения в плоскости скольжения. Угол внутреннего трения определяется но паспорту проч­

ности горных пород (круги напряжения Мора) и численно ра­ вен углу, образуемому касательной к огибающей в данной точ­ ке и осыо нормальных напряжений.

§ 5. Прочность горных пород

Прочность горной породы— способность породы сопротив­ ляться действию внешних усилий, вызывающих в ней ту или иную деформацию. Для оценки прочности горных пород может быть принято общее положение, заключающееся в том, что на разрушение тела при соответствующем состоянии затрачи­ вается определенное количество знергии, поглощаемой едини­ цей объема данного тела. Э го количество энергии в каждом слу­ чае должно определяться опытным путем.

Прочностные показатели горных пород определяют, и основ­ ном, по той же методике, которую применяют при испытаниях строительных материалов. Критериями прочности горных по­ род является их предел прочности при одноосном сжатии (рас­ тяжении), изгибе, сдвиге. Испытания образцов проводят и лабо­ ратории на гидравлических прессах. При испытании на одно­ осное сжатие из кусков горной породы изготавливают образцы в форме кубиков размером 50-50-50 мм или цилиндров.

I! 1901 году Международное бюро но механике горных пород узаконило стандарт .методики определения прочности горных пород при одноосном сжатии. Стандартом предусмотрено испы­

в прессе повышают со скоростью 5—10 кг/см2 в секунду. Вычи­ сление предела прочности производится с точностью до

10 кг/см2.

38

Предел прочности пород при одноосном сжатии определяет­ ся по формуле

где Р — разрушающая нагрузка, кг;

F — площадь поперечного сечения образца, см2.

И ГД им. А. А. Скочипского предложен метод определения прочности горных пород на образцах неправильной формы. Ис­

во ВНИМИ метод испытаний образцов в специальных устапов- ках-стабилометрах с независимым приложением нагрузок.

При определении предела прочности горной породы на рас­ тяжение трудности заключаются в выборе и изготовлении само: го образца и закреплении его в захватах разрывпой машины. 11рц испытаниях применяют плоские призматические образцы прямоугольного сечения в виде «восьмерок». В процессе испы­ таний образцов на растяжение торцовые части их укрепляют в захватах машин с помощью рифленых плашек или применяют специальные зажимы.

Предел прочности горной породы при растяжении может быть определен п методом соосных пуансонов, для чего в центре образца высверливают отверстие диаметром, равным диаметру пуансона. Отверстие заполняют смесью канифоли (75%) и па­ рафина (2.5%). Испытуемый образец помещают между пуансо­

39