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.
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
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» ]