Проведение всякой выработки вызывает изменение напряжений, существовавших в породах.[2] Поэтому нужно составить представление о первоначальном, естественном напряженном состоянии пород.
По мере увеличения глубины напряженное состояние пород будет приближаться к предельному.
Рассмотрим прочностные свойства углей и пород, чтобы провести сравнительный анализ.
Таблица 1 [3, с.53].
Прочностные свойства углей разной степени нарушенности.
| Приделы прочности угля (кгс/см) при степени нарушении угля | ||
| V-IV | III | II-I |
| На разрыв | ||
| На сдвиг | ||
| На одноосное сжатие | ||
В таблице мы видим, что усилие на одноосное сжатие для угля в среднем равно 3.9 МПа.
Теперь посмотрим на прочностные характеристики для других минералов.
Таблица 2.
Физико-механические свойства пород [4, с.17].
| Порода | Предел прочности при сжатии , МПа | Модуль деформации при сжатии , МПа | Коэффициент
Пуассона |
Угол внутреннего трения , градус |
| Аргиллиты | 38-110 | 1-4,5 | 0,17-0,25 | 30 |
| Алевролиты | 40-100 | 1-3 | 0,2-0,3 | 30 |
| Песчаники | 72-100 | 0,2-0,4 | 0,1-0,3 | 38 |
| Глинистые сланцы | 14-58 | 1-4 | 0,22 | — |
| Песчанистые сланцы | 35-83 | 1-3 | 0,15-0,4 | — |
| Известняки | 120-250 | 0,4-0,8 | 0,27 | 27 |
| Глинистые грунты | 1,50-7,0 | 0,0016-0,005 | 0,3 | 5-30 |
Для песчаников предел прочности на одноосное сжатие несколько выше, он равен в среднем при переводе в систему си 86МПа.
Для алевролитов 70МПа.
Для аргиллитов 75 МПа.
Сравнивая данные прочностных свойств углей и пород, мы видим, что породы имею прочность примерно на порядок выше.
Далее сравним данные с прочностными свойствами сплошной среды, т.е. металлами. Как известно при решении задач методами механики сплошных сред необходимо выполнять требования к параметрам элементарного объема. Он должен сохранять все характерные свойства исследуемого тела и быть достаточно малым по сравнению с размерами тела [5]. Ниже приведена таблица с прочностными свойствами некоторых сталей.
Таблица 3 [6].
Механические свойства разных видов сталей
| Марка | Предел прочности при растяжении , МПа | Относительное удлинение , % | Твердость, HB |
| 08 | 330 | 33 | 131 |
| 10 | 340 | 31 | 143 |
| 15 | 380 | 27 | 149 |
| 20 | 420 | 25 | 163 |
| 25 | 460 | 23 | 170 |
| 30 | 500 | 21 | 179 |
| 35 | 540 | 20 | 207 |
Для стали 8 усилие на 1мм. одноосное растяжении будет равным 330 кг/см. От сюда видно что пределы прочности угля на два порядка ниже, мы делаем предположение что при нагружении горного массива нагрузками достаточными для разрушения, нет зоны пластической деформации и участка текучести, горная порода практически сразу начинает разрушатся.
Исследование процесса разрушения несплошных сред образцов природного массива.
Рассмотрим несколько работ проведенных на угле и песчанике и проведем экспериментальную наработку на образцах угля.
Свободный объем в угольном массиве может доходить до 25%, это подтверждается одной и наработок [7, с.2].
Рис.2 Изменение объема под давлением [7, с.2].
На представленной зависимости показано, изменение объема от приложенной нагрузки на угль. В этом эксперименте на образец действовали высоким давлением, показав таким образом, присутствие свободного объема. При пересчете в процентное соотношение получили такие данные, 25-30% от общего размера образца. С помощью эксперимента показано присутствие свободного объема в минерале взятого из природного массива.
Рассмотрим процесс развития нарушенности при одноосной нагрузке в кубическом образце угля из следующей работы.
Ниже показана зависимость разрушения кубического образца угля с гранями 55мм.
Рис.3 Зависимость деформации от приложенной нагрузки кубического образца угля 105 мПа [8, с. 71].
В данном случае процесс развития нарушенности в образце, это участок Б-В, находиться в пределе 0,65 %. Это позволяет нам говорить что оценивать, таким образом упругие свойства материала затруднительно, здесь в большей степени было оценено развитие нарушенности так как наблюдается не обратимость процесса, после приложения нагрузки.
Приступим к экспериментальной наработке, в которой рассмотрим усилия разрушения пластинки угля толщиной 1 см.
Для подготовки эксперимента был подготовлен образец размерами 9,5x1x7,5см который нагружали по следующей схеме
Рис. 6 Схема нагруженния образца угля.
Усилия приложенные для разрушения образца достигло отметки 0.5 атм., что равносильно 25 МПа.
Поле проведения эксперимента мы рассмотрели разрушенный образец, на котором отчетливо просматривается структура материала в месте излома, рисунок ниже.
Рис.7 Последствия нагружения образца.
Делая вывод по экспериментальной, наработке мы видим, что уголь является довольно хрупким материалом и выделить упругие свойства достаточно проблематично.
Выводы.
Результаты прогноза напряженно состояния вмещающего массива при ведении очистных работ в первую очередь зависят от его строения состава и мощности слоев.
Отметим, что без понимания механических свойств, пород и минералов невозможно прогнозировать их поведение при выборке ископаемых. Все существующие методы расчета, так или иначе, привязаны к сплошным средам, (методы расчета накладывают на несплошную среду), что в свою очередь приводит к погрешностям в расчетах.
В работе мы показали, что фиксировать упругую фазу разрушения практически не возможно.
Рассматривая экспериментальные наработоки, делаем заключение, что на природный массив следует смотреть с позиции несплошности.
Список литературы:
- 1.Охрана капитальных выработок от влияния очистных работ. Издательство «Техніка»,1983г.
- С.Г. Аверешин “Горные удары” 233 c.
- Б.М.Иванов, Г.Н.Фейт, М.Ф.Ясносвская, “Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов”. Издательство “Наука” Москва 1979г.
- И.В. Баклашов, Б.А. Картозия “ Механика подземных сооружений и конструкций крепей”. Москва “Недра” 1984г.
- Гудков В.М, Катков Г.А. «Неделя горняка-2007».
- В.И. Анурьев “Справочник конструктора машиностроителя”. Москва “Машиностроение” 2001г.
- Способ определения общей пористости ископаемого угля: Декларационный патент на изобретение 2001128887. Украина, МКИ G01N1/04,G01N7/00/ Поляков П.И., Слюсарев В.В., №49528А; Заявлено 21.12.2001; Опубл. 16.09.2002, Бюл.№ 9-2с.
- Влияние неравнокомпонентности объемного нагружения и глубины залегания на физико-механические свойства углей. Молодецкий А.В. 2012г.[schema type=»book» name=»МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ НЕСПЛОШНЫХ СРЕД СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ ПРИРОДНОГО МАССИВА» description=»Цель нашего исследования заключается в прогнозировании механизмов разрушения слоистой структуры природного массива при выемке ископаемых. Массив это слоистая многокомпонентная горная порода органического происхождения. Свойства минералов вмещающих массив и способы их добычи определяются структурой организацией и условиями залегания ископаемого[1]. Породы и минералы существенно отличаются от твердых тел, прежде всего, дефектностью, пористостью, трещиноватостью своей структуры, большой изменчивостью физико-механических свойств, образуя в целом несплошную среду. В данной работе мы произведем сравнительный анализ несплошных и сплошных сред, используя экспериментальные наработки.» author=»Нескреба Денис Анатолиевич, Поляков Петр Иванович» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-12″ edition=»euroasia-science_28_28.07.2016″ ebook=»yes» ]